Харківський національний університет імені В. Н
| Вид материала | Документы |
- Міністерство освіти І науки україни, 28.03kb.
- Міністерство освіти україни Харківський національний педагогічний університет імені, 1964.02kb.
- Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна На правах рукопису сальтевська, 827.79kb.
- Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни харківський національний університет, 200.57kb.
- Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна назва роботи, 8.52kb.
- Харківський національний університет імені, 722.84kb.
- Харківський національний університет імені, 864.07kb.
- Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»,, 70.45kb.
- Харківський національний університет імені, 334.11kb.
- Харківський національний університет імені, 689.98kb.
3.1.2 Фітокліматологія і її місце у системі наук
Проблеми, які розглядаються на стику багатьох наукових напрямків відносяться до міждисциплінарної галузі, а дослідження в цьому разі носять міждисциплінарний характер. Особливо складні у цьому відношенні постають питання розробки наукових основ міждисциплінарних галузей знань.
Наукові питання кліматології взагалі і фітокліматології зокрема розглядаються у розділі як ключові питання наук про атмосферу і її місце у системі наук про Землю. Розвиток фітокліматології потребує чіткого визначення термінологічних і понятійних засад науки. Зміст поняття “фітокліматології”, її місце у системі наук і уява про предмет науки визначає її спрямованість і методи дослідження. Таким чином, у цьому розділі звертається увага на місце фітокліматології у системі наук.
У своєму розвитку фітокліматологія спирається на фундаментальні дисципліни. Вона досліджує закономірності фізичних процесів і явищ у атмосфері, їх генезис, фактори, що форують клімат і погоду, географічний розподіл їх на землі, вплив на господарську діяльність людей. Особливістю фітокліматології є те, що вона вивчає закономірності фізичних і біологічних процесів, що мають сутєве значення для сільськогосподарського виробництва.
Рис. 3.1 Місце фітокліматологцї в системі наук про Землю
В разработке теоретических вопросов фітокліматологія спирається на знання не тільки законів фізики атмосфери, але і фізики грунту, біофізики, основних законів агрономії. В цьому полягає складність даної науки. Вона має свої методологічні і методичні підходи до вирішення поставлених задач. Крім того, в рамках фітокліматології розробляются прикладні питання, питання, які важливі для практики сільського господарства.
Для розвитку фітокліматології залучаються географічні, сільскогосподарські і біологічні науки. Фітокліматологія найбільш тісно повязана з метеорологією і кліматологією Вона спираються на знання законів фізики атмосфери, а також физичною географією, грунтознавством, гідрологією, рослинництвом, фізиологією рослин [121].
У розділі подані спочатку загальні питання вивчення клімату взагалі і зокрема розуміння місця кліматології у системі наук взагалі. На протязі тривалого часу у кліматології точилася дискусія відносно визначення її місця у системі наук. Одні вчені розглядають клімат як поняття чисто статистичне, абстрактне, що характеризується незміними величинами, а сама кліматологія відносилась до класу точних наук, фізико-математичних дисциплін. Інші – відносять клімат до об’єктивної реальності, яка є діалектичною якістю атмосфери, що склалася і обумовлена безперервним процесом взаємодії атмосфери з усіма географічними факторами. У такому розумінні кліматологія відносилась до природничих наук.
3.1.3 Фітопогодний комплекс – обєкт дослідження фітокліматології
У розділі розглядаються наукові засади вивчення фітопогодного комплексу, як об’єкту дослідження фітокліматології, і уява про предмет науки, її спрямованість і методи дослідження. Розвиток науки взагалі і фітокліматологічної зокрема потребує чіткого визначення термінологічних і понятійних засад науки. Визначення поняття “фітопогодний комплекс”
Вивчення погодно-кліматичних комплексів окремих природних і культурних ландшафтів, розробка методів їх виділення, типізація, класифікація, вивчення їх сфери прикладного використання становить зміст нового напрямку в кліматології - фітокліматології.
Теоретичні передумови, що розкривають зміст терміну фітопогодний комплекс, і зокрема фізичні процеси, які функціонують у його межах, обгрунтовуються при вивченні фітокліматичної системи. Дослідження цієї системи пов’язані з аналізом властивостей об’єктів, що вивчаються різними науками, носять міждисциплінарний характер. Особливо складні в цьому відношенні постають питання розробки наукових основ міждисциплінарних галузей знань.
Для визначення об’єму і змісту поняття «фітопогодний комплекс», як об’єкту дослідженя, що містить різнопланові компоненти, необхідно розглянути природні складові системи, які є природничою основою розвитку рослинництва і фізиологічні особливості сільськогосподарських культур. Це дозволить більш обгрунтовано проводити агротехнічні заходи [125].
Прикладний аспект цієї проблеми полягає в тому, що теплобалансові розрахунки, фітокліматичні показники і характеристики вологості грунту можуть лягти в основу розробки критеріїв стану сільськогосподарських культур у період вегетації. Для росту і розвитку рослин виняткове значеня мають умови їх життєдіяльності: ресурси тепла і вологи, фотосинтетично активна радіація, пожівні речовини грунту, тощо. У процесі своєї життедіяльності рослини активно створюють своє середовище існування. Можна говорити про індивідуальні фітопогодні комплекси, які формують певні сільськогосподарські культури [145].
Вивчення теоретичних і практичних засад фітокліматології дозволяє сформулювати визначення поняття “фітопогодного комплексу“.
Мікропогодний комплекс в цілому і фітопогодний зокрема являє собою сполучення значень метеорологічних елементів, що визначають стан погоди у визначений строк спостережень і характеризують фізичні процеси приземного шару повітря, що формуются під впливом природних чи штучних ландшафтів певних територій.
У визначені фітопогодного комплексу знайшли відображення три аспекти цього явиша – фізичні процеси, а також часова і просторова структури їх розвитку.
Перший аспект торкається розвитку мікропогодних процесів. Стан приземного шару повітря залежить від геофізичних процесів, що протікають у певних геграфічних умовах, а також залежать від масштабу їх формування. Розрізняють атмосферні макропроцеси і мікропроцеси. Перші – погодно-кліматичні явища, що визначаються факторами великого масштабу, такими як загальноциркуляційні процеси і географічні фактори. Вони спостерігаються лише поза сферою збудження діяльного шару атмосфери. Другі вирізняються розвитком атмосферних процесів, прилеглих до земної поверхні.
Мікропогодні комплекси визначаються географічними факторами малих масштабів: рельєфом, рослинним покривом, сільськогосподарським освоєнням. Особливістю явищ, що протікають у приземному шарі атмосфери є те,що вони характеризуються виключно великими градієнтами температури і вологості повітря і вітрового режиму. Ці явища не виходять за межі приземного шару атмосфери, але вони мають велике практичне значення. Тут протікає значна частина діяльності людини, розвивається рослинний і тваринний світ і цей шар найбільш доступний активному впливу людини [113].
Другий аспект проблеми висуває аналітичні задачі часових рядів, що подають перелік значень змінної величини в залежності від часу. Інтервал часу між спостереженнями метеорологічної величини постійний і його тривалість коливається від часток секунди при вивченні турбулентних потоків до тисяч років за умови вивчення клімату. З урахуванням їх інтерпретації як випадкових функцій часу передбачається вивчення структури їх основних властивостей у вигляді оцінок середньої, характеристик мінливості, періодичних і неперіодичних складових і їх коливань у майбутньому. Дослідження часових рядів гідрометеорологічних характеристик дозволили провести класифікацію періодичних процесів у часі, що вони їх виражають і визначити задачі їх вивчення [112].
Третій аспект торкається вивченню змін метеорологічних величин у просторі. Просторове узагальнення – це заключний етап вивчення атмосферних процесів у вигляді побудови метеорологічних полів. Його основними елементами є: оцінка статистичних характеристик просторової структури, картування и районування метеорологічних і кліматичних величин. Дослідження елементів просторової структури метеорологічних полів набуває важливого значення у звязку з необхідністю подання інформації безпосередньо у межах адміністративних районів і залучення програми кліматичного моніторингу. Властивості метеорологічних полів передаються даними в окремих точках простору. Вони можуть бути представлені значеннями, що отримані безпосередньо на метеорологічних станціях, або даними, які проінтерпольовані у вузли регулярної мережі за допомогою об’єктивного аналізу.
Вивчення погодно-кліматичних комплексів окремих ландшафтів складає зміст фітокліматології. В умовах природних і окультурених ландшафтів формуються фітопогодні комплекси. У цьому терміні вдало поєднується наукова сторона проблеми з практичною її спрямованістю.
Наукову основу методу фітокліматології складає аналіз зв'язків окремих метеорологічних елементів і їх сполучень, які в умовах конкретних природних і штучних ландшафтів формують певні погодні комплекси.
Науковий підхід розкриває зміст терміну “фітопогодний комплекс”. Фізичний сенс протікаючих в ньому процесів можна обгрунтувати через вивчення ситеми “грунт-рослина-повітря”. В центрі системи знаходиться рослина, що гостро реагує на всі процеси, які виникають в процесі функціонування її складових. Для росту і розвитку рослин виняткове значення мають умови їх життєдіяльності. До них можна віднести ресурси тепла і вологи, фотосинтетична активна радіація, поживні речовини, тощо. В процесі своєї життєдіяльності рослина активно створює своє середовище існування. Це дає підставу говорити про індивідуальні фітопогодні комплекси, які властиві певним культурам.
Таким чином, можна сформулювати визначення фітопогодного комплексу. Мікропогодний комплекс в цілому і фітопогодний комплекс як система зокрема, визначається фізичним станом приземного шару повітря, що формується під впливом природних чи штучних ландшафтів у визначений проміжок часу.
3.2 Методи польових моніторингових досліджень ФПК
Польові методи у фітокліматологічних дослідженнях — основа для проведення комплексного физико-географічного вивчення місцевості і призвані ознайомити з атмосферними процессами і явищами необхідними для розуміння генезису фітопогодного комплексу, його еволюції, історії формування, виявлення закономірностей і взаємозвязку між атмосферними процесами та іншими компонентами природи.
3.2.1 Огляд моніторингових методів дослідження
Методологічними засадами фітокліматології є комплексне використання натурних спостережень, вимірювань і досліджень, експериментальних лабораторних досліджень, картографування і моделювання. Більшості фітокліматологічних досліджень притаманний системний підхід.
У сучасних фітокліматологічних дослідженнях широко використовують методи інших наук — хімії, фізики, геології, біології, математики. Ці методи можна об'єднати в кілька груп:
Методи реєстрації та оцінки якості довкілля, насамперед різні типи фітокліматологічного моніторингу, і зокрема біомоніторинг, біоіндикація, дистанційний аерокосмічний моніторинг та інші.
Методи кількісного аналізу у фітокліматології і методи оцінки біомаси та продуктивності рослин природних агросистем (ПАС).
Вивчення особливостей впливу різних фітокліматологічних чинників на життєдіяльність організмів (як складні й тривалі спостереження в природі, так і, частіше, експерименти в лабораторних умовах — токсикологічні, біохімічні, біофізичні, фізіологічні та ін.).
Методи вивчення системоутворюючих взаємозв'язків між фітопогодними комплексами і навколишнім природним середовищем, і внутрішньосистемних зв'язків між елементами фітопогодних комплексів.
Створення геоінформаційних систем і технологій для розв'язання фітокліматологічних питань різних масштабів і в різних сферах сільського господарства.
Комплексний еколого-економічний аналіз стану ПАС, досліджуваних територій, сільскогосподарського виробництва.
Геосистемні методи дослідження, фітокліматологічний моніторинг з метою зменшення негативного впливу стихійних природних процесів на довкілля.
Зараз досить широкою і розвинутою галузю наукового знання є системні дослідження. Системний підхід спрямований на розробку наукових засобів і відповідає завданням дослідження складних об'єктів. Він є методологічною базою усієї сукупності сучасних системних досліджень [113]. Системний підхід до вивчення складних об'єктів зараз став загальнонауковим принципом. Його впровадження призвело до значних змін у категоріальній побудові наукових досліджень у багатьох галузях науки, у тому числі і у географії. Географічні науки усім ходом свого розвитку були добре підготовлені до сприйняття і активного розвитку системного підхіду [134]. Швидке розповсюдження і закріплення системного підхіду у географії було природним і цілком закономірним процесом.
Вони відповідають завданням дослідження складних об'єктів, у тому числі і природних і є методологічною базою усієї сукупності сучасних наукових досліджень [135]. Системний підхід до вивчення складних об'єктів зараз став загальнонауковим принципом. Його впровадження призвело до значних змін у категоріальній побудові наукових досліджень у багатьох галузях науки, у тому числі і у географії. Географічні науки усім ходом свого розвитку були добре підготовлені до сприйняття і активного розвитку системного підхіду [117]. Швидке розповсюдження і закріплення системного підхіду у географії було природним і цілком закономірним процесом.
Передумовою появи системної орієнтації стали інтеграційні процеси у науці, що викликали до життя появу нових наукових напрямків, де рівень наукового знання відзначається широтою і розгорнутістю, а його зміст носить міждисциплінарний характер. При цьому системний підхід використовувався у двох напрямках. Перший – давав уточнення суті особливо складних об’єктів, що раніше вивчалися географією, з використанням здебільшого пояснювальної функції. Другий – для аналізу явищ, що раніше мало вивчалися географією, використовуючи науково-конструктивну функцію, що давав змогу отримати нові уявлення про географічні явища і фізико-географічні процеси.
Це служить вихідними положеннями для встановлення можливостей застосування системного підходу у фітокліматологічних дослідженнях. Системні дослідження таких об’єктів повинні стосуватися, перш за все, питань відокремлення їх з середовища як деякої самостійної цілісності, встановлення зовнішніх взаїмодій системи, аналіза структурних аспектів взаємодіючих елементів системи та їх ієрархії. Системні методи дослідження успішно розвиваються стосовно різних наукових і прикладних завдань кліматології. Особливістю формування фітокліматології, як міждисциплінарної галузі, являє собою об'єднання, з одного боку, групи практичних завдань, пов'язаних з визначенням необхідності у меліораціях та можливості їх проведення, а з іншого боку широкого вибору дисциплін, що беруть участь у розв'язанні поставлених задач.
Необхідною умовою розвитку системних досліджень у межах фітокліматології ї створення теоретичних основ та методичних розробок предмета міждисциплінарної галузі з відбиття у ній взаємовідносин між об’єктами різних дисциплін, що розглядаються; проведення фітокліматологічних досліджень на основі методів синтезу причинно-наслідкових зв'язків і інтегрального оцінювання природних умов з метою розвитку різних видів меліорації; прогнозування ефективності меліоративних заходів; використання стаціонарів у природно-меліоративних дослідженнях; вдосконалення методів оціночного природно-меліоративного картографування.
При дослідженні закономірностей багатомірних процессів необхідно з достатнім ступенем надійності встановити залежності, що відшукуються на основі обмеженої кількості вимірів. Це досягається методами планування експерименту [124]. Планування природно-меліоративних досліджень включало на першому етапі створення понятійної моделі взаємодіючих об’єктів.
Виходячи з запропонованих дефініцій фітокліматології і її стану, а також визначень системи і методів фітокліматологічного моніторингу, ми дійшли висновку, що вона має три групи методів. Вани можуть забезпечити дослідженнями різні етапи розвитку фітокліматологічної системи, починаючи з планування та проектування на стадії передпольової підготовки фітокліматологічних досліджень, далі у процесі польових робіт, і закінчуючи камеральними роботами [128].
3.2.2 Організація польових методи дослідження фітопогодного комплексу
Польові методи у фітокліматологічних дослідженнях — основа для проведення комплексного физико-географічного вивчення місцевості і призвані ознайомити з атмосферними процессами і явищами необхідними для розуміння генезису фітопогодного комплексу, його еволюції, історії формування, виявлення закономірностей і взаємозвязку між атмосферними процесами та іншими компонентами природи.
Для організації метеорологічних и мікрокліматичних польових робіт була розроблена программу, підбрані необхідні прилади і обладнання, відпрацьована методика спостережень їх обработка, познайомилися з правилами складання звіту про проведені дослідження.
В період підготовки до спостережень проведено:
- знайомством з методикою спостережень, правилами запису и первинної обработки результатів спостережень;
- перевірити справність для польових спостережень приборов і наявність на них повірочних сертифікатів;
- запастись типовими книжками і бланками для запису метеорологічних спостережень;
- мати на час спостережень «Психрометрические таблицы», «Атлас облаков», «Сборник вспомогательных таблиц» і метеорологічні руководства.
Метеорологічні спостереження приземного шару атмосфери виконуються постійними опорними станціями учебової бази с.Гайдари і стаціонара с.Проходи гідрометеорологічними загонами экспедиції. Основна програма вологістю повітря, температурою грунту і станом її поверхні, атмосферним тиском, напрямом і швидкістю вітру, хмарністю, атмосферними опадами, видимостію, атмосферними явищами і станом погоди.
При организації метеорологічниих спостережень у наукових експедиціях керуються вимогами і методичними вказівками, принятими на державній мережі станцій. Вони викладені в «Наставлении гидрометеорологическим станциям и постам».
Мікрокліматичні спостереженя мають за ціль виявити режим приземного шару повітря у залежсності від компонентів географічного середовища. Програма і організація мікрокліматичних спостережень може бути різна і визначаються поставленю задачею. При комплексних фізико-географічних дослідженнях в польових умовах вивчаються лише головні мікрокліматичні відмінності між природними явищами. Програма мікрокліматичних спостережень у цьому випадку включає спостереженя за температурою і вологістю повітря, температурою грунту і станом її поверхні, атмосферним тиском, напрямом і швидкістю вітру, хмарністю, атмосферними опадами, атмосферними явищами і станом погоди, що помогають зрозуміти і оцінити мікрокліматичні відмінності при разних типах погоди.
Обладнання опорної станції і мікрокліматичних точок. У районі досліджень постійно діють дві мережові метеорологічні станції. Їх дані використані для порівняння як фонові. На опорній станції ведуться спостереженя аналогічними приладами і в ті ж сротки, як і на державній мережі станцій, що дозволяє порівнювати їх показання.
На опорній польовій станції для срочних спостережень над температурою і вологістю повітря є на стандартній висоті 200 см станційні психрометри і гігрометри в психрометричних будках. Для регістрації добового ходу атмосферного тиску, температури і вологості повітря є самописці з добовим оборотом барабана. Спостереженя характеристик вітру виконується флюгером.
На оголеній ділянці є термометри на поверхні грунту (сроковий, максимальний, мінімальний) і грунтові термометри Савінова. Комплект грунтово-глубинних термометрів є на ділянці природним рослинним покровом. Для їх відліку є переносні мостики. Для вимірювання опадів на опорній станції є осадкомір Третякова.
На мікрокліматичених точках установлені металічні стойки діаметром 3 см і довжиною 200 см. Стойки установлені у грунті так, щоб їх висота була рівна 190 см. На них психрометри подвішені у горизонтальному положенні за допомогою шнура на кронштейнах, а анемометр на час спостережень вставлені у гнізда кронштейну на висоті 50 и 150 см над земною поверхнею.Температура грунту регіструється поверхневими термометрами і термометрами-щупами.
Польові спостереженя фітоклімату сільськогосподарських полів тепло- і воднобалансовим методом проводились відповідно спостереження за методикою, разробленою Головною геофізичною обсерваторією ім. Воєйкова А.І. (ГГО) і Українським науково-дослідним гідрометеорологічним інститутом (УкрНДГМІ).
Градієнтні і актинометричні спостереження проводяться з метою отримання даних про добовий розподіл температури і вологості повітря, швидкості вітру у приземному шарі, температури грунту. Ці дані були використані для розрахунку складових радіаційного і теплового балансів, а також коефіцієнта тепло-вологообміну (КТВ).
Спостереження проводяться синхронно на сільськогосподарському полі і на метеоплощадці, що оболаднана на час експедиціойних робіт поблизу поля на суходолі. Використовуються також дані державних метеорологічних станцій, розміщених у районі спостереження.
Програма градієнтних і теплобалансових спостережень включає в себе наступні спостереження:
І) вимірювання радіаційного балансу і його складових на висотах: 1,5 м над діяльной поверхнею і 35 см над грунтом під рослинами;
2) вимірювання температури і вологості повітря, швидкості вітру на рівнях 50 і 200 см від землі;
3) вимірювання температури на поверхні грунту і на глибинах 5,10,15,20 см;
4) вимірювання кількості випавших опадів;
5) визчення вологості грунту до глибини 100 см;
6) спостереження за напрямком вітру, хмарністю, станом діяльної поверхні, характером погоди;
7) спостереження за атмосферним тиском.
Для вимірювання температури і вологості повітря використовують аспіраційні психрометри Ассмана, для вимірювання швидкості вітру - анемометри Фусса. Спостереження за температурою грунту виконуються за допомогою термометрів – надгрунтових колінчатих Савинова і витяжних. Напрям вітру і кількість опадів визначається вітроміром і опадоміром Третякова.
Під час спостереження на полях використані установки конструкції Харківського университету і УкрНДГМІ.
На мікрокліматичних точках спостереження ведуться щодненно у 6,9,12,15,18,21,24 години.
Протягом усієї роботи експедиції безперервно ведеться щоденик погоди.
Фенологические й фитометрические наблюдения производились по методике УкрНИГМИ.
Для визначення запасів грунтової вологи (загальних і продуктивных) на полях, а також на метеоплощадці проводиться подекадний відбір проб грунту. Відбір проб проводиться за допомогою грунтового бура АМ-І6 до глубини 100 см у кожному 10-сантиметровому шарі, а також у шарі 0-5 см. Вологість грунту визначаєтьсь у шестикратній повторюваності.
Допоміжне визначення вологості грунту проводилось після осадков ( > 5 мм). Методика разрахунку коєфіцієнта тепловологообміну (КТВ), побудова картосхем та інші спеціальні разрахунки викладені у наступних главах звіту.