Кратко охарактеризовать основные методы исследования применяемые в научной агрономии

Обновлено: 02.07.2024

Агрохимия, или агрономическая химия, — наука о взаимодействии растений, почвы и удобрений при возделывании сельскохозяйственных культур, о круговороте химических веществ в земледелии и использовании удобрений с целью увеличения урожая, улучшения его качества и повышения плодородия почвы с учетом биоклиматического потенциала.

В процессе развития агрохимии значение понятия постоянно совершенствовалось в силу задач и формирования новых её функций, что отражает сложную взаимосвязь растений, почвы, климата и агрохимических средств. Главная задача агрохимии заключается в изучении этой взаимосвязи.

Предмет агрохимии

Д.Н. Прянишников называл задачей агрохимии — изучение круговорота веществ в земледелии и выявление способов воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растениях, оказывающие влияние на урожай и его качество.

Удобрения создают оптимальный питательный режим, направленно регулируют обмен органических и минеральных соединений, позволяя тем самым реализовать потенциальную продуктивность растений. В свою очередь, удобрения подвергаются воздействию растений, например, труднорастворимые формы растения могут переводить в доступные, а избирательная поглотительная способность по отношению к отдельным элементам, создают физиологическую кислотность или щелочность минеральных удобрений.

Агрохимические средства влияют на химические и физические свойства почвы, на активность и направленность микробиологических процессов, одновременно сами изменяются под влиянием свойств почвы. Обменные реакции, протекающие в почве между катионами солей минеральных удобрений и почвенным поглощающим комплексом могут приводить к негативным или позитивным результатам. Так, вытеснение алюминия из поглощающего комплекса калием при внесении хлорида калия приводит к дополнительному подкислению почвенного раствора, а обменные реакции между кальцием от вносимых удобрений и натрием поглощающего комплекса щелочных почв улучшают их физико-химические свойства, повышают биологическую активность. На этом основана химическая мелиорация солонцовых почв — гипсование.

Д.Н. Прянишников показал взаимосвязь между тремя взаимодействующими факторами: почвой, растением и удобрением в простой схеме, отражающей сущность агрохимии. Задача агрохимии состоит в создать оптимальные условия с помощью удобрений для питания растений. Такой же подход должен быть и в отношении почвы. Удовлетворяя биологические требования растений, возможно реализовать потенциальную продуктивность растений.

К.К. Гедройц отмечал, что урожайность определяется тремя факторами: климатом, почвой и самим растением. Климат трудно поддается изменению, однако возможно смягчить его действие улучшением свойств почвы. Изменяя свойства почвы, земледелец может в определенной степени регулировать воздействие климатических условий на растения. Воздействие удобрений К.К. Гедройц рассматривал опосредованно через изменение свойств почвы.

Схема взаимоотношений между растениями, почвой и удобрениями, как сущность предмета агрохимии (по Д.Н. Прянишникову)

Развитие теоретических положений количественного и качественного формирования продукции культурных растений вызвал необходимость введения биоклиматического потенциала в понятие агрохимии. Разработана и успешно применяется теория получения программированных урожаев, созданы и совершенствуются статические модели плодородия почвы по агрохимическим и агрофизическим показателям с учетом уровня урожая отдельных культур и продуктивности в целом специализированных севооборотов. Ведутся работы по моделированию продукционных процессов для некоторых сельскохозяйственных культур, реализация которых позволит достичь максимально высокой урожайности.

Многочисленные опыты с удобрениями в различных климатических зонах страны позволяют в определенной степени учесть климат, как один из факторов в системе климат — растения.

Недооценка климатических особенностей применительно к конкретному земледельческому району способна привести к погрешностям в определении значения минеральных удобрений.

Диалектическая взаимосвязь системы почва - климат - удобрения - растения в современном представлении сущности предмета агрохимии

Задачи агрохимии

На современном этапе развития агрохимия решает задачу изучения свойств различных видов органических и минеральных удобрений и их влияние на:

круговорот и баланс питательных веществ в земледелии;
свойства почвы и воспроизводство плодородия;
питание растений и обмен органических и минеральных веществ при вегетации;
биологическую активность почвы и ее биоразнообразие;
формирование урожая и качества продукции;
агроэкологические функции агрохимии в системе почва — растение;
экономико-энергетические показатели эффективности агрохимических средств.

Объекты изучения агрохимии

В последние годы отмечает возрастание значимости экономической и экологической задач агрохимии, оценки эффективности применения удобрений.

Задача современного агрохимика сводится к определению точных параметров круговорота биогенных элементов с учетом конкретных агроклиматических условий и специфики сельскохозяйственных растений, их сортов при заданных уровнях продуктивности.

Круговорот веществ

Цель агрохимии

Цель агрохимии — создание оптимальных условий питания растений с учетом свойств видов и форм удобрений, особенностей их взаимодействия с почвой, определение эффективных форм, способов, сроков использования удобрений.

Методы агрохимии

Лабораторные методы

Среди методов агрохимии особое значение имеют лабораторные: химические, физико-химические методы анализа растений, почв и удобрений. Создание современных высокоточных приборов для различных методов аналитической химии позволили значительно расширить спектр возможностей в агрохимии.

Среди методов аналитической химии в агрохимии широко используются:

фотометрия,
хроматография,
спектроскопия,
атомно-абсорбционная спектрофотометрия,
рентгенофлуоресценция,
нейтронно-активационный метод,
масс-спектрометрия.

Основные методы агрохимии

Для исследований обмена веществ в растениях используются методы стабильных и радиоактивных изотопов. Высокопроизводительная современная аналитическая техника и компьютеры позволяют обрабатывать большой объем поточных результатов анализов. Портативные средства измерения позволяют проводить экспресс-анализы непосредственно в поле, быстро определять содержание химических веществ в растениях или почве, свойства почвы, например, кислотность, оперативно вносить коррективы нормы внесения удобрений.

В последние десятилетия стала применяться комплексная почвенно-растительная диагностика питания растений и применения удобрений, заключающейся в лабораторном анализе почвы для определения оптимальных норм внесения основного удобрения и последующей корректировкой доз в подкормке в процессе вегетации после анализа растений в поле.

Физиолого-агрохимические методы

Физиолого-агрохимические методы включают вегетационные и лизиметрические методы. При вегетационных методах эксперименты проводятся в специальных сосудах, размещаемых в павильонах-домиках или теплицах. В лизиметрических методах исследования выполняют в больших сосудах, например, объемом от 1 м 3 , с изолированными по вертикали стенками для создания условий, близких к естественным.

Лизиметрический метод нашел широкое применение в научно-исследовательских учреждениях мира. С его помощью исследуются процессы миграции, трансформации питательных веществ, изменения свойств почвы в динамике, проводятся балансовые эксперименты, а также обмена веществ в растениях и формирования качества продукции.

На практике вегетационный и лизиметрический методы часто используются в сочетании друг с другом. К физиолого-агрохимическим методам относятся эксперименты в фитотронах, в которых контролируются и регулируются все показатели продукционного процесса растений: водообеспечение, корневое питание, интенсивность и качество света, температурный режим, фотосинтез, газовый обмен и т.д. Эти исследования проводятся при полной автоматизации процессов с регистрацией параметров роста и развития растений. Данные методы являются наиболее точными и позволяют вскрыть процесс обмена веществ с участием всех факторов жизни растений, определить потенциальную продуктивность растений и способы ее реализации для конкретного генотипа, создать динамическую модель продукционного процесса. Фитотроны используются и в селекционно-генетических исследованиях. Фитотроны применяются, как правило, в крупных научно-исследовательских учреждениях и высших учебных заведениях.

Полевые опыты

Полевой опыт — это эксперимент, проводимый в полевых условиях для определения эффективности удобрений на урожай сельскохозяйственных культур, его качество и на плодородие почвы.

Мелкоделяночные опыты выполняются для глубоких, чаще поисковых, экспериментов. Они, как правило, сочетают вегетационные и лизиметрические опыты, но в условиях, идентичных или близких к естественным. В мелкоделяночных опытах могут использоваться методы меченых атомов, создаются и проверяются модели почв высокого плодородия, испытываются виды и формы удобрений и их сочетания, в том числе с другими химическими средствами или микробиологическими препаратами. Мелкоделяночные опыты проводятся на делянках площадью до 10 м 2 .

В краткосрочных полевых опытах действие удобрений на урожайность и качество продукции изучается в течение не менее трех лет в определенных почвенных условиях. Данные Географической сети опытов в России широко используются для определения потребности в разных видах и формах минеральных удобрений в зональном аспекте, а также для определения потребностей страны в минеральных удобрениях.

Мелкоделяночные и краткосрочные полевые опыты используются также для совершенствования методов комплексной почвенной и растительной диагностики питания растений и применения удобрений.

Стационарный опыт — это полевой опыт с систематическим внесением удобрений, который проводится на одном участке, в севообороте, в звене севооборота или при бессменной культуре.

Длительный полевой опыт — стационарный опыт, проводимый в течение нескольких ротаций севооборота. Длительные стационарные опыты позволяют получить информацию по оценке эффективности различных систем удобрений в севооборотах; уровня насыщенности севооборотов удобрениями; оптимального распределения органических и минеральных удобрений по культурам севооборота и форм удобрений. Эти опыты являются базой для разработки статических моделей плодородия почв, изучения закономерностей изменения плодородия и качества продукции при длительном использовании удобрений, проведения балансовых исследований, миграции питательных элементов по профилю почвы и накопления балластных токсических элементов, в том числе тяжелых металлов и агрохимических средств, то есть для решения экологических проблем агрохимии. Опыты ставятся в условиях приближенных к производственным.

Производственные опыты с удобрениями проводятся в производственных условиях для проверки рекомендованных доз внесения и экономической оценки удобрений. Они носят краткий характер и предназначены для испытания и доработки научных рекомендаций в производственных и конкретных почвенно-климатических условиях. Результаты этих опытов имеют большое значение при внедрении и обосновании эффективности комплекса приемов химизации земледелия.

Связь агрохимии с другими науками

Содержание агрохимии как науки можно представить тремя разделами:

химия растений,
химия почвы,
химия удобрений.

Химия растений является разделом физиологии растений, химия почвы — разделом почвоведения, и при этом они является неотъемлемой частью агрохимии. Химия удобрений полностью входит в состав агрохимии. Научные исследования по этому разделу проводятся сочетании с химией почв, физиологией растений и земледелием.

Агрохимию нельзя рассматривать отдельно от почвоведения, физиологии растений, земледелия, микробиологии почв.

Агрохимия выделилась в самостоятельную дисциплину вследствие теоретической и практической целесообразности.

Круг агрохимических исследований очень широк. Он включает изучение превращения питательных веществ в почве и метаболизма в растении, оптимизации питания растений, воспроизводства плодородия почв, применения удобрений на планируемый урожай и регулирования качества продукции.

Связь агрохимии с другими фундаментальными и прикладными науками

Связь с фундаментальными науками

Связь агрохимии с фундаментальными науками

Связь агрохимии с почвоведением заключается в том, что эффективность удобрений в определяется химическими, физическими, физико-химическими свойствами почвы, ее биологической активностью, которые в свою очередь связаны с содержанием и подвижностью питательных веществ в почве. Взаимосвязь свойств почв и удобрений проявляется в процессах мобилизации, иммобилизации, трансформации, миграции питательных веществ, на что оказывают влияние растения агроценоза.

Эффективность и окупаемость удобрений зависят от окультуренности почв, содержания гумуса, поглотительной способности, буферности и реакции среды. Поэтому задачей агрохимии является изучение свойств и плодородия почвы, баланса питательных веществ в агроценозе, способов регулирования и воспроизводства плодородия почв.

Связь агрохимии с физиологией растений проявляется во влиянии питательных веществу на все жизненные процессы растения, что обеспечивает формирование показателей качества продукции. Такие агрохимические приемы, как корневые и некорневые подкормки, позволяют регулировать питание растений, направленно оптимизируя условия активного роста и развития, формирования большего урожая лучшего качества. На знании закономерностей питания растений в процессе вегетации разработаны методы растительной диагностики обеспеченности культуры питательными веществами.

Многие разделы агрохимии связаны с биологией и микробиологией почвы. Так, состояние и регулирование азотного режима в агроценозах — задача агрохимии, успешное решение которой возможно при правильной оценке биологических источников азота в системе почва — растения: симбиотической и ассоциативной азотфиксации или свободно живущими микроорганизмами. Активность этих процессов определяется правильной системой удобрения. То же относится к процессам гумификации и минерализации гумуса, фосфорного питания растений.

Возрастающая роль экологических аспектов земледелия связывает агрохимию с экологией. Например, техногенное загрязнение агроценозов тяжелыми металлами, радионуклидами и агрохимикатами вызывает необходимость разработки комплекса агрохимических средств и приемов, направленных на снижение поступления загрязняющих веществ в растения и трофические цепи.

Особенно необходима экологическая оценка при применении нетрадиционных видов удобрений — отходов промышленности, коммунального хозяйства, при использовании местных органических и минеральных сырьевых ресурсов в качестве удобрений.

Экологические функции агрохимии:

поддержание биологического круговорота веществ,
сохранение биоразнообразия и улучшение микробоценоза почвы,
иммобилизация токсических веществ,
сохранение биологической активности почвы,
активизация азотфиксирующей способности почвы,
предотвращение эвтрофирования природных вод.

Создание оптимальных культурных агроландшафтов в разных природных зонах возможно с помощью агрохимических средств. Применяя удобрения в комплексе агроландшафтного земледелия, человек создает культурный агроландшафт с оптимальным геохимическим режимом, который является наилучшим в гигиеническом отношении и отвечает условиям жизни человека.

Экологическая функция в агроландшафтных системах земледелия характеризует связь агрохимии с геохимией. В.А. Ковда (1984) отмечал, что поведение удобрений в ландшафте следует изучать с привлечением биогеохимических методов — агрогеохимия. Он считал, что изучение трансформации удобрений во всех компонентах ландшафта позволяет получать наибольшую отдачу от удобрений с наименьшими отрицательными экологическими последствиями.

Связь агрохимии с географией проявляется в географических закономерностях действия удобрений, которые в свою очередь определяются почвенными, биологическими и климатическими условиями зон.

Связь агрохимии с метеорологией определяется зависимостью эффективности удобрений и агрохимических средств от погодно-климатических условий.

Основные методы исследования научной агрономии

Исследования, осуществляемые в области агрономических наук, как и в других областях знания, опираются на единый метод познания — метод диалектического материализма. Только он, считая первичным материю и рассматривая существующие процессы и явления, включая живую природу, в движении, в развитии, является единственно научным методом познания. Его законы позволяют понять закономерности и связи между явлениями в природе не только сегодня, но и в историческом плане, предвидеть их развитие на будущее; позволяют вскрыть причинность и зависимость между явлениями, что так важно для научной агрономии и сельскохозяйственного производства.
Агрономия в узком понятии — комплексная наука, в состав которой входят многие ныне самостоятельные науки: физиология растений, агрономическое почвоведение, агрономическая метеорология, земледелие, агрономическая химия, растениеводство, овощеводство, плодоводство, селекция и семеноводство разных культур, сельскохозяйственные энтомология и фитопатология и еще многие другие. Каждая занимается своими вопросами, имеет свои задачи, но цель у них одна — способствовать повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
В агрономии применяют общепринятые приемы научного познания - наблюдение, эксперимент (научный опыт), корреляцию.
Наблюдение — фиксация того, что имеется в естественных условиях. Это простейший прием научного познания, широко применяемый в агрономических исследованиях как самостоятельно, так и в научном эксперименте и осуществляемый по определенной методике. Наблюдением устанавливают количественную или качественную характеристику признаков и свойств объектов и явлений.
Научный эксперимент, или научный опыт — более сложный прием научного познания. Он отличается от наблюдения тем, что воспроизводит (воссоздает) изучаемые явления в контролируемых условиях. Это позволяет следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз при повторении комплекса условий. Научный эксперимент широко распространен в научной агрономии. Он должен найти широкое применение и в производстве.
Корреляция — нахождение связей между отдельными явлениями, объектами и т. д. Установление разнообразных связей, например, между агротехническими приемами, условиями среды, факторами жизни, с одной стороны, и особенностями роста и развития культурных растений, урожайностью, качеством урожая, с другой — важнейшая задача научной агрономии и практического земледелия.
В агрономических науках применяют лабораторный, вегетационный, лизиметрический, вегетационно-полевой и полевой (полевой опыт) методы исследования.
Лабораторный метод имеет целью дать количественную или качественную оценку свойствам изучаемых объектов научной агрономии. Объекты исследований обладают многими свойствами, что обусловливает применение разных лабораторных методов исследования. Для изучения конкретных свойств объектов разработаны разные лабораторные методы, встречаются простые и более сложные. Например, влажность почвы можно определить весовым, парафиновым, радиоактивным и другими методами.
Лабораторные методу исследования применяют в наблюдениях и опытах. Отобранные для исследования объекты составляют обычно только выборку от генеральной совокупности, поэтому выборка должна быть представительной (репрезентативной).
Вегетационный метод относится к категории научного эксперимента. Культурные растения выращивают в искусственных, заранее запланированных условиях среды, в сосудах разной емкости, заполненных или специально подготовленной почвой, или песком, или водным раствором. Сосуды помещают на вагонетки или стеллажи в вегетационном домике, что позволяет контролировать почти все факторы жизни. Еще больший контроль за факторами жизни обеспечивается в лабораториях искусственного климата — фитотронах. Вегетационный метод позволил изучить многие закономерности роста и развития растений и продолжает широко применяться при решении многих теоретических и прикладных вопросов агрономических и других наук. Часто вегетационные опыты предшествуют полевому опыту.
Лизиметрический метод близок к вегетационному. Лизиметры — сосуды разной глубины, от размера пахотного слоя до 1—2 м, разной емкости. Их обычно заполняют почвой. Конструкция лизиметров позволяет выделить почвенный раствор.
Вегетационно-полевой метод (вегетационно-полевой опыт) занимает промежуточное место между вегетационным и полевым методами научного исследования. Вегетационно-полевые опыты осуществляют в полевой обстановке, чаще на специально выделенном участке. Растения выращивают в сосудах разной емкости, но без дна и поэтому почва в сосудах имеет контакт с почвой участка. Вегетационно-полевой опыт может быть использован при решении многих агрономических вопросов, не требуя больших затрат, чем выгодно отличается от вегетационного метода исследования.
Полевой метод (полевой опыт) имеет ряд преимуществ, которыми не обладают ранее рассмотренные методы исследования. Его широко применяют в земледелии, растениеводстве, овощеводстве и других агрономических науках.

Классификация методов исследований в агрономии

Научная агрономия в своих целях использует главным образом следующие типы опытов: лабораторный, вегетационный, лизиметрический, полевой и производственный.

Лабораторные опыты проводятся в лабораторных условиях без опытных растений. Например, надо изучить, как изменяется содержание доступной растениям воды в почве в связи с изменением ее плотности или как будет изменяться кислотность почвы при внесении различного количества извести. В подобных опытах растения не участвуют, поэтому они и называются лабораторными, а не вегетационными.

Вегетационные опыты проводятся в искусственных условиях, в вегетационных сосудах, в теплицах, оранжереях, вегетационных домиках, в фитотронах в агрономически обоснованной обстановке, регулируемой экспериментатором.

Сосуды для вегетационных опытов применяются из самых различных материалов: стекла, глины, оцинкованного железа, пластика и т. д. В качестве субстрата (среды) для растений используется вода, песок, почва, гравий и т. д. На этом основании вегетационные опыты с названным субстратом получили название водных, песчаных, почвенных, гравийных.

Искусственные условия дают возможность исключить все неблагоприятные не изучаемые факторы и выявить значение того или иного из них в возможно более чистом виде, сделать расчлененный анализ, который в сложной природной обстановке провести нельзя.

Опыты на искусственных средах позволили разрешить ряд очень важных вопросов, относящихся к физиологии растений. Этим методом установлены значение различных элементов в питании растений, механизм их поступления в растения, концентрации, взаимодействия, антагонизм ионов и т. д.

Учеными для водных культур разработаны искусственные питательные среды, получившие название растворов В. Кнопа, К. А. Тимирязева, Д. Н. Прянишникова и др.

Вегетационные опыты с почвенными культурами приближаются к производственным условиям. Эти опыты используются для определения содержания в почве доступных (усвояемых) растениям питательных веществ и т. д.

Однако результаты вегетационных опытов, по мнению большинства ученых, нельзя непосредственно переносить на полевую обстановку, что не умаляет значения этого метода исследований.

Лизиметрический метод от вегетационного отличается тем, что исследование (изучение) жизни растений и свойств почвы проводится в поле, в специальных лизиметрах, в которых определенный объем почвы отгорожен со всех сторон от окружающей почвы (с боков и снизу). В этих опытах изучаются водный баланс под различными культурами, вымывание и передвижение питательных веществ атмосферными осадками; определяются транспирационные коэффициенты в естественной обстановке и т. д.

Между лизиметрическими и полевыми опытами следует назвать промежуточные — вегетационно-полевые и мелкоделяночные полевые опыты.

Вегетационно-полевые опыты проводятся в полевой обстановке в цилиндрических или квадратных сосудах без дна. Почва здесь отгорожена только с боков на глубину 20—30 см и более. Эти опыты могут быть использованы для оценки эффективности удобрений, плодородия различных генетических горизонтов почвы и других целей.

Мелкоделяночные полевые опыты еще больше сближаются с полевыми опытами, но отличаются от них тем, что площади опытных делянок имеют размер в несколько квадратных метров: 4, 8, 10. На таких делянках все работы выполняются вручную, количество растений незначительно, а их агротехника — не типичная для производственных условий.

В этих опытах могут изучаться такие вопросы, как степень плодородия различных генетических горизонтов почвы, влияние степени плотности пахотного слоя или разных его частей на запасы доступной воды и урожай растений, размещение по профилю пахотного слоя удобрений и др.

Полевой опыт представляет собой метод исследования, который проводится в полевой обстановке на специально выделенном участке в целях установления влияния факторов жизни, условий или приемов возделывания на урожай сельскохозяйственных растений и его качество.

Особенность его, в отличие от рассмотренных, состоит в том, что культурное растение изучается вместе со всей совокупностью почвенных, климатических, агротехнических, а часто и в условиях, очень близких к производственным или непосредственно в производственных условиях.

1. Наблюдение – это регистрация количественных и качественных изменений показателей объекта, явления или процесса, а также отдельных их признаков и свойств. Например, наблюдение ведут за температурой воздуха, осадками, влажностью почвы, численностью сорняков, вредителей, микрофлорой, поражением болезнями.

2. Эксперимент (опыт) – основной метод исследования который позволяет изучить сущность явления или процесса, установить причинность и взаимосвязь между их отдельными элементами. Для этого создают искусственно условия, при которых можно было бы раскрыть существо явления или процесса. Главная особенность любого научного опыта – его воспроизводимость.

· Лабораторный опыт – проводят в условиях лаборатории для изучения действия и взаимодействия факторов на почвенный процессы, рост растений, прорастание семян.

· Вегетационный опыт – проводится в вегетационных домиках, теплицах, с целью установления количественных изменений урожая и его качества под действием изучаемых факторов. Растения выращивают в сосудах из различного материала заполненных почвой или питательным веществом. В них можно создать строго контролируемые условия, что позволяет решать важные вопросы физиологии растений и агрохимии.

· Лизиметрический опыт – проводят в специальных лизиметрах, которые устанавливают в поле, ограничив определенный объем почвы с боков и снизу. Лизиметры изготавливают из кирпича, бетона, металла. Мощность слоя почвы в лизиметрах может быть от глубины пахотного слоя до 1 – 2м. в таких опытах изучают динамику поступления, передвижения, расхода воды и питательных веществ в почве.

· Полевой опыт – проводят в поле, на специально выделенном участке. Основные задачи его – установление различий между вариантами опыта, количественная оценка действия факторов жизни, условий или приемов возделывания на урожай растений и его качество.

Вариантом опыта – называют агротехнические приемы, изучаемые растения и сорта, виды и нормы удобрений и средств защиты растений которые подлежат проверке и оценке.

Вариант или группу вариантов, с которыми сравнивают остальные, принимают за контроль (стандарт), а испытуемые – за опытные варианты. Совокупность опытных и контрольных вариантов, объединенных общей идеей, представляет схему опыта.

Читайте также: