И.О. ЗАВЕДУЮЩИЙ ОТДЕЛОМ - к.т.н. ЯНКО ЮРИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

СОТРУДНИКИ ЛАБОРАТОРИИ

Усков Игорь Борисович  - член корр. РАН, д. физ-мат.н., гл.н.с.    (i.b.uskov@gmail.com, 8(812)534-16-98)
Янко Юрий Григорьевич – к.т.н., в.н.с.                                         (yanko@agrophys.ru)
Данилова Татьяна Николаевна – к.с.-х.н,  в.н.с.                            (danilovatn@yandex.ru)
Захарян Юрий Гайказович  – д.с.-х.н.,  с.н.с.                                 (dzhem.m@yandex.ru)
Николаев Михаил Валентинович – к.геогр.н., с.н.с.                       (clenrusa@mail.ru)
Кононенко Ольга Владимировна – к.с-х.н., н.с.                              (okveda@mail.ru)
Старцев Аркадий Сергеевич  - вед.инж.
Мищенко Александр Федорович – н.с                                            (shyrik_1990@yandex.ru)
Усков Андрей Олегович – н.с.                                                       (uskovich@gmail.com)

Исследования по агро- микроклиматологии ориентированы на изучение физических процессов формирующих микроклимат сельскохозяйственных полей и разработку эффективных методов управления микроклиматическими ресурсами продуктивности земель с первых дней создания лаборатории (1932г).

Многолетние  исследования процессов энерго- и массообмена в системе «почва-     растение-атмосфера», проводившиеся в полевых, лабораторных условиях и в численных модельных экспериментах, обобщены в монографиях: Энерго-и массообмен в системе растение-почва-воздух. /Нерпин С.В, Чудновский А.Ф.  – Л.:Гидрометеоиздат, 1975г.; Климатические факторы и тепловой режим в открытом и защищенном грунте. /.Куртенер Д.А,.Усков И.Б – Л.:Гидрометеоиздат, 1982г.; Управление микроклиматом сельскохозяйственных полей. /Куртенер Д.А, Усков И.Б. – Л.:Гидрометеоиздат, 1988г.; Рекомендации по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий./. Козырева Л.В, Данилова Т.Н., Ефимов А.Е.(ред. Усков И.Б.)- СПб, МСХ РФ,ГНУ АФИ, 2009.


Оптический аэродинамичекий стенд


Гидравлический стенд исследования 
эффективности технологий  и средств
очистки трубчатого дренажа от наилка

Современные средства вычислительной техники и экспериментальные возможности модельных исследований позволили сформировать информационную основу климатологической поддержки агротехнологий при их адаптации к ландшафтным особенностям сельскохозяйственных полей и складывающимся погодным и агроклиматическим условиям. Разработаны теоретические основы и алгоритмы расчета трансформации параметров микроклимата в ландшафтах, на полях и в посевах; созданы средства и приемы защиты почв от дефляции, технологии управления микроклиматом сельскохозяйственных полей и в культивационных сооружениях защищенного грунта. Проектирование компьютерных систем синтезирования таких технологий подготовлено эволюцией микроклиматических исследований, обеспеченной физико-математической направленностью их развития и созданной экспериментальной базой лаборатории.

 

Современные вызовы глобальных изменений климата обусловили расширение тематики агроклиматических исследований и развитее соответствующих новых методик и инструментарий. Разрабатываются теоретические основы и методы адаптации земледелия к изменениям климата.


Блок-схема адаптации земледелия к изменениям климата

Исследуются адаптивные возможности агроэкосистем и разрабатываются теоретические основы адаптации  земледелия к условиям изменяющегося климата, обобщенные в справочной монографии «Основы адаптации земледелия к изменениям климата»/ Усков И.Б., Усков А.О. СПб, изд. «Нестор-История», 2004г

Разрабатываются методы расчета и картирования  биоклиматического потенциала и достижимой  продуктивности агроэкосистем, в том числе на основе статистической обработки климатической, почвенной, метеорологической,  ландшафтной и хозяйственно-агрономической  информации в макро-, мезо- и микро-масштаба региона, хозяйства, поля.


Технология выбора адаптационных мероприятий

Принципиально важно различать понятия продуктивность земель и плодородие почв. В такой постановке при расчетах продуктивности земель  целесообразно  оперировать тремя категориями продуктивности: потенциальной, климатически обеспеченной и действительно возможной. Уровень потенциальной продуктивности  лимитируется приходом фотосинтетической активной радиации (ФАР), архитектоникой и физиологическим состоянием посева, а также генетическими возможностями выращиваемой культуры по усвоению ФАР. Вычисленная таким образом потенциальная продуктивность не соотносит процесс формирования биомассы с состоянием среды обитания, то есть полагаются идеальными условия в деятельном слое атмосферы и почвы. Уровень климатически обеспеченной продуктивности снижен относительно потенциальной по условиям тепло- и влагообеспеченности посева, но при отсутствии лимитирования   факторами почвенной корнеобитаемой среды. Совершенно очевидно, что микроклиматические условия каждого поля определяют эту категорию продуктивности. Колебания климата, ежегодная изменчивость погоды и складывающиеся в вегетационный период метеорологические ситуации переводят эту категорию в разряд вероятностных. Категория действительно возможной продуктивности рассматривается как сниженная климатически обеспеченная лимитированием почвенных условий в корнеобитаемой среде. Такая методология позволяет выполнять дифференцированную оценку качества земель по комплексу климатических и почвенных параметров. Здесь под землями понимается не почва, а агроэкологическая система «почва-растения-атмосфера». Исходная информационная база при этом содержит данные о пространственной неоднородности метеорологических параметров, статистических микроклиматических характеристиках территорий и бонитета почв. Рациональным базовым информационным инструментом, реализующим используемый подход, могут служить компьютерные геоинформационные системы (ГИС).

 

Элементы ГИС-системы  продуктивности полевых культур на землях  Ленинградской области


Тенеграмма процесса выхолаживания
нагретой поверхности модели склона
стекающим с вершины  холодным
потоком воздуха

 

 

 


Тенеграмма     температурного    поля 
в модели двускатной теплицы
обогреваемой припочвенными
тепловыделяющими элементами 

Исследования физических и физико-химических процессов, формирующих агроклимат, проводятся в агроландшафтах, в лабораторных условиях на специальных стендах и физических моделях  элементов агроэкосистем. При этом широко применяются  теория подобия, аналоговое и  математическое моделирование. Разработан комплекс оригинальных критериев подобия и методов переноса данных модельных исследований на натурные объекты. Предложена модификация оптического теневого метода, позволяющая исследовать тонкую структуру теплового пограничного слоя на моделях элементов ландшафтов с последующей компьютерной обработкой цветных тенеграмм и построением критериальных обобщений процессов теплопереноса, в том числе тепловых полей в обогреваемых теплицах/

Исследуются инструментальными и расчетными методами   составляющие  энергетического баланса, формирующие микроклимат поля, определяющие интенсивность испарения почвы и транспирацию посевом в реальном режиме времени. Полевые наблюдения выполняются с использованием разработанного и созданного в лаборатории автоматизированного мобильного полевого агрометеорологического комплекса (АМПАК), снабженного  встроенным оригинальным программным обеспечением, осуществляющим дистанционное беспроводное управление режимами съема, сбора, хранения и первичной  обработки информации.


микроризотрон

В рамках статистической агроклиматологии разрабатываются  методы вероятностной оценки агроклиматических и агрометеорологических рисков в земледелии, создаются теоретические основы и расчетные  методы  управления рисками в условиях случайной изменчивости метеорологических факторов, климатически обусловленных и стохастических опасных погодных ситуаций на фоне глобального изменения климата. Создана статистически обоснованная оригинальная методика оперативного прогноза скрытого радиационного заморозка; показана возможность на её основе создание соответствующего мобильного сигнализатора скрытых и приподнятых заморозков. Выполнены геостатистические оценки вероятности изменения границ зон засух и переувлажнения земель в условиях изменения климата на земледельческой  территории. Европейской части России. Разработана  методика оценки целесообразной степени дифференциации агротехнологий при почвенно-климатической неоднородности сельскохозяйственных территорий.  


Корневая система с гелем
на модельной пленочной среде
в условиях ризотрона

Ведутся исследования эффективности упреждающих методов адаптации полевых систем к условиям недостатка и избыточности осадков, в том числе внесения в корнеобитаемый слой почв водоудерживающих гидрогелей различной физико-химической природы и создания осушительных мелиоративных систем закрытого трубчатого дренажа.

Технологические возможности гидрогелей и специфика их физико-химической устойчивость  и водоудерживания, физиологическая доступность для растений аккумулированной влаги  изучаются в полевых, лабораторных и модельных экспериментах на биополигоне в структуре  производственного севооборота и на делянках, в ризотронах, морозильных, сушильных и климатических камерах.

 

 

Осушенные закрытым трубчатым дренажом земли обеспечивают для растений благоприятный водно-воздушный режим почвы и имеют ряд существенных преимуществ в сравнении с осушением открытой сетью. Такие осушительные системы более долговечны и более удобны в эксплуатации, применение их позволяет уменьшить мелкоконтурность и увеличить размер полей.

В мире осушаемые земли занимают 130 млн. гектаров или 9% всей площади пахотных земель. При этом на их долю приходится 15% объема сельскохозяйственной продукции производимой на земном шаре. По состоянию на 1980 год в СССР было осушено 12,16 млн. га болот и заболоченных земель, что составляло 20% переувлажненных сельхозугодий. В России сейчас нуждается в осушении 12% сельскохозяйственных угодий (приблизительно 25,8 млн.га.), площадь осушаемых земель с учетом их списания за последние 10 лет составляет 4,8 млн.га. Земли осушали в нашей стране, в основном, закрытым трубчатым дренажом и доля закрытого дренажа в общей площади осушенных земель составляла 46% (в Нечерноземной зоне - 64%) или 3,2 млн.га.



Научные основы строительства закрытого трубчатого дренажа в климатической зоне РФ заложены А.Н. Костяковым и С.Ф. Аверьяновым. В последние 30 лет нового строительства дренажа в России практически не ведется, а срок гарантированной эксплуатации ранее построенных осушительных мелиоративных систем, уже закончился. Сейчас  требуется поведение восстановительных ремонтных работ закрытого трубчатого дренажа.

Узким звеном в цепи эксплуатационных работ на мелиоративных системах, осушенных закрытым трубчатым дренажом, является обнаружение мест заиливания и промывка трубчатых дрен, коллекторов. Эта работа требует высокой квалификации обслуживающего персонала и немалых средств, так как применяется большое количество ручного труда, а используемые дренопромывочные машины имеют низкую  производительность.

В лаборатории создан стенд для исследований в натуральную величину заиленных дренажей где проводятся исследования по созданию рабочих органов дренопромывочных машин и на основе проведенных исследований разрабатываются нормативные документы по мелиорации полей. 

 

 

Развиваются теоретических и методических основы вероятностной оценки агроклиматических рисков по факторам продуктивности и устойчивости роста и развития полевых культур в условиях изменения климата. Риском в принятии управленческих решений можно назвать выбор управляющих решений, не гарантирующих достижения поставленных целей.

 

Процедуры управления предопределяют обязательное наличие прогноза, т.е. в структуре управляющей системы необходимо иметь некоторый набор динамических моделей агроэкологической системы и процессов, протекающих в среде обитания биологической части агроэкологической системы. Прогнозы формулируются и анализируются как прогнозы вероятного развития агробиологической системы и параметров среды обитания в трех вариантах:  внешнее воздействие на систему отсутствует; её развитие следует за изменчивостью природных факторов продуктивности и устойчивости; либо планируется целенаправленное воздействие  на процессы и параметры среды обитания для адаптации  биологической части к новым условиям среды; либо предусматривается направленное воздействие собственно на биологический объект для реализации  его потенциальных адаптивных возможностей. Ведется разработка методов управления агроклиматическими рисками в земледелии на основе публикуемых прогнозов МГЭИК. Показана возможность применения математики нечетких множеств для преобразования детерминированных прогнозов МГЭИК к вероятностному представлению.

Потенциальный источник управленческих ситуаций при управлении агробиологическими рисками находится на стыке метеорологических факторов, обуславливающих риск, и факторов физиологических, обусловленных внутренними адаптивными возможностями агробиологической системы. Анализ риска служит информационной базой процесса управления. Основной целью такого анализа является формирование целостной картины рисков и масштабов потенциальной опасности их реализации. Успешность управления рисками определяется, прежде всего, достаточной полнотой информационного обеспечения. Разрабатываются методы формирования информационной базы управления агроклиматическими рисками в условиях  стахостической изменчивости климата.