Программа учебной дисциплины

Академик РАН Н.С.Касимов

«_____»_________ 20__г.

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Наименование дисциплины: «Агроклиматология»

по направлению подготовки 021600.62 «Гидрометеорология» уровня высшего профессионального образования бакалавриат с присвоением степени «бакалавр»

Особенностью дисциплины является ее нацеленность на формирование представлений об агрометеорологии и агроклиматологии, как о географической науке, изучающей пространственно-временные связи биологических объектов (главным образом агрофитоценозов) с погодой и климатом с целью познания, регуляции и прогнозирования конечной биологической продукции в различных географических и климатических регионах.

- познакомить с понятийно-терминологическим аппаратом, применяемым при анализе основных задач агрометеорологии и агроклиматологии;

- дать комплексное представление об основных системных концепциях взаимодействия организма и среды;

- дать представление об основных процессах, протекающих в растительном покрове (фотосинтезе, дыхании, формировании биопродуктов и их распределении по органам) и их основных характеристиках;

- дать представление о пространственно-временных закономерностях формирования, развития, функционирования различных посевов и насаждений и об  их конечной продуктивности в зависимости от климатических условий;

- дать представление о методах расчета основных характеристик радиационного, водно-теплового режимов воздуха и почвы;

- дать представление о соответствующих моделях продукционного процесса;

- дать представление о различных методах прогноза состояния агрофитоценозов и их продуктивности.

Дисциплина «Агроклиматология» входит в профессиональный цикл вариативной части ООП. Она включена в модуль «Климатология» и изучается на 4 курсе в 8 семестре, 3 часа в неделю (12 недель), зачет.

Изучение дисциплины базируется на предварительном усвоении студентами материалов основных метеорологических дисциплин: «метеорологии», «климатологии», знания матераилов базовых курсов по «экологии», «биогеографии», «по рациональному природопользованию».

Логическая и содержательно-методическая взаимосвязь дисциплины «Агроклиматология» с другими частями ООП определяется следующей совокупностью входных компетенций, необходимых для освоения данной дисциплины:

-основные физические компоненты среды влияющие на растительный покров;

- основные свойства посевов и насаждений с.-х. культур и происходящие в них процессы энерго- и массообмена;

- основы взаимодействия организмов и среды;

Студент должен знать:

• 
  основные факторы, необходимые для жизнедеятельности растений в посевах;
  
• 
  основные принципы функционирования живых систем;
  
• 
  основные принципы организации наблюдений за состоянием посевов яровых и озимых культур;
  
• 
  основные требования к формированию количества и качества с.-х. продукции;
  
• 
  основные условия климатического районирования с.-х. культур;
  
• 
  принципы, лежащие в основе современных моделей прогнозирующих продуктивность и урожайность;
  

• 
  по имеющимся данным о метеорологических условиях, состоянии растений в посевах, оценить их конечную биологическую и хозяйственную продуктивность.
  

• 
  теоретическими знаниями по проблемам агрометеорологии и агроклиматологии
  
• 
  методиками оценки условий среды произрастания посевов и непосредственно внутри посевов
  
• 
  основными навыками использования численных моделей продукционного процесса
  

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 з.е.; 108 академических часов. Аудиторная нагрузка: 36 часов, из них 24 часа – лекции, 12 часов – семинары, 72 часа – самостоятельная работа студентов.

Агрометеорология и агроклиматология. Основные понятия. Агроклиматология в системе географических наук. Пространственно-временные связи биологических объектов (главным образом, агрофитоценозов) с погодой и климатом. Закономерности биологических процессов в агрофитоценозе (АФЦ) и их изменения от погоды и климата. Агроклиматология в системе наук: физика атмосферы, оптики, почвоведение, биофизика и физиология растений и др. Познания, регуляция и прогнозирование формирования конечной биологической продукции в различных географических и климатических регионах.

Агроклиматология как наука. Предмет и задачи. Место в системе биологических, физических, географических наук. Фундаментальность агрофитометеорологии и агрофитоклиматологии как науки. Представления об объектах агрофитоклиматологии (растения, ценозы). Основные факторы жизнедеятельности.

Принципиальные отличия АФЦ от свойств единичных растений.

Основные принципы существования АФЦ (физические и физиологические процессы; трансформация приходящей лучистой энергии в системе «атмосфера-лист-растение-фитоценоз»; энергетический баланс между поглощенной энергией и расходом на фотобиологические процессы (фотосинтез, фотоокислительные процессы, транспирация, теплообмен и др.).

Специфика процессов агрофитоценоза. Автотрофность, регуляция процессов и структур, оптимизация, максимизация эффективности использования ресурсов среды и особенно лучистой энергии при взаимодействии растений. Целостность организации. Суточный цикл как основная единица биологического времени. Физиологический диапазон условий для сохранения «постоянства» соотношения процессов в изменчивой среде.

Рост, развитие, репродукция, создание биомассы, как интегральные продукционные процессы в онтогенезе растений.

Основные закономерности формирования и деятельности агрофитоценоза. Теоретическая оценка потенциальной и реальной продуктивности посевов.

Понятие о критических периодах в жизни растений. Роль лимитирующих факторов (закон минимума Либиха), лучистая энергия как лимитирующий фактор. Кардинальные «точки» состояний АФЦ: начало ценотического взаимодействия (a), смыкания по приходящей и проходящей в ценоз ФАР (b), период максимальных суточных приростов биомассы (с) и др.

Энергетическая и информационная, субстратная и регуляторная роль метеоклиматических факторов и их роль в формировании и росте АФЦ.

Роль факторов экзогенной природной и антропогенно измененной среды для АФЦ.

АФЦ как объект динамической пространственно-временной трансформации факторов среды в пределах системы.

Представления об общих климатических и продуктивных (биоклиматических) ресурсах факторов среды.
Раздел 1. История развития и современное состояние агрофитометеорологии и агрофитоклиматологии.

Агрометеорология и агроклиматология как экспериментальная и теоретическая наука. Основные подходы к изучению АФЦ и среды обитания в ходе развития науки.

Агрометеорология и климатология как исторически отечественная наука. Этапы развития. Экспериментальная и теоретическая база. Научные агроклиматологические учреждения в России, СССР и РФ. Сеть станций и постов.

Основные виды наблюдений. Корреляции, уравнения регрессии (эмпирические, функциональные). Развитие принципов и методов моделирования продукционного процесса и его отдельных «блоков». История и методы прогноза и регуляции продуктивности АФЦ. Роль описательного и экспериментального, наземного и космического мониторинга продукционного процесса (ПП).

Общие ресурсы. Качественное и количественное наличие факторов, необходимых для произрастания и производства с.-х. продукции. Суммы прихода радиации, температур почвы и воздуха, осадков за период возможной и активной вегетации. Продолжительность периода фотосинтетически вегетации. Гидротермические и гидрорадиационные значения. Биоклиматический потенциал.

Продуктивные ресурсы. Количество приходящей физиологически - и фотосинтетически активной радиации, запасов влаги в почве, сумм активных температур почвы и воздуха и т.д., как основа для ежесуточного прироста биомассы, новообразования и формирования органов, своевременного прохождения фаз и этапов роста и развития, получения максимально высокого урожая соответствующего качества. Роль временного фактора (ритмов в течение суток, декад, онтогенеза) в приходе и использовании ресурсов для формирования биопродукции.
Раздел 3. Энергетика продукционного процесса.

Радиационный режим. Спектральные диапазоны лучистой энергии. Структура, геометрия, оптика и оптическая плотность АФЦ. Газообмен (фотосинтез, фотодыхание и дыхание) как процессы создания биомассы. Световые, углекислотные, температурные кривые. Кардинальные точки. Концентрационные зависимости обычного и многофакторного характера. Суточные продуктивные ресурсы газообмена для различных экотипов растений (по водному режиму, по светолюбию) в различных метеоклиматических условиях разных регионов. Сезонность среды, зональность.

Роль лучистой энергии в отдельные периоды вегетации. «Критические» радиационные периоды. «Константы» взаимосвязи между процессами, структурами, факторами среды. Фоторегуляция процессов в АФЦ (фотопериодизм роста, перехода к зацветанию; типы растений - нейтральные, короткодневные, длиннодневные и др.).

Роль спектрального состава лучистой энергии и ее интенсивности для высокоэнергетических и низкоэнергетических процессов.

Фототропизмы и фотонастии, фотоориентация структур в клетке (хлоропласты), в растении (листья), в АФЦ (листовая мозаика, азимутально - наклонная ориентация листьев). Геомагнитные и геотропические реакции.

Роль лучистой энергии (ФАР) в регуляции «биологических часов» в организмах.

Многофункциональное значение интенсивности, длительности, векторности, дозы потока, его суточного хода для растений.

Физиологическая длина дня (по газообмену, фотосинтезу, фотопериодизму). Информационно-регуляторная роль гражданских и навигационных сумерек как части физиологической длины дня для фотобиологических процессов. Энергетика продукционного процесса на фоне антропогенного изменения климата. Влияние газообменных окислителей (окислы азота, серы), кислотных осадков на продуктивность. Влияние концентрации СО₂ в атмосфере на продукционный процесс.

Факторы среды (температура воздуха и почвы, влажность воздуха и почвы, испарение и испаряемость, транспирация растений, тепловой режим тканей растений, осадки, ветер, турбулентность потоков в АФЦ как фактор термического и углекислотного режима), их изменчивость и использование. Возможности экспериментального и теоретического изучения водно-теплового режима.

Дифференциация факторов (метеорологическая температура воздуха, биометеорологическая активная и эффективная температура, их суммы). Общие, продуктивные запасы влаги и их распределение по глубине почвы. Регулярность прихода осадков и сохранение влаги в почве. «Критические периоды по влаге» в онтогенезе. Термо- и влагопериодизм роста. Экотипы растений по отношению к температуре (теплолюбивые, холодоустойчивые и т.д.) и влаге (гигрофиты и гидрофиты, мезофиты, ксерофиты, суккуленты). Роль жизненных форм растений как отражение адаптации к среде. Экологические подходы к АФЦ. Водно-термический режим дня и ночи и его роль в ПП. Инфракрасная техника в эксперименте. Компьютерные возможности обработки информации и моделирования.
Раздел 5. Агрометеорологические условия

в холодное время года и перезимовка растений.

Низкие и минимальные температуры воздуха и почвы и их влияние на растение. Роль фитотронов в изучении холодостойкости.

Специфика условий и их динамика. Снежный покров и ледяная корка (оптика, плотность, влияние на газообмен, на термический режим почвы и растений). Проблемы вымерзания, выпревания, вымокания растений. Роль узла кущения в холодостойкости (зимостойкости) растений. Отрастание. Роль осеннего и весеннего периодов в вегетации и продуктивности с.-х. культур озимого типа. Оценки подснежного (и без снежного покрова) состояния растений. Возможности активного воздействия на условия перезимовки (закаливание, снегозадержание, мелиорация, мульчирование и т.д.) в зависимости от метеорологических условий. Зимостойкость растений, устойчивость растений, методы закаливания растений. Возможности прогноза состояния растений в различные периоды, а также прогноза конечной продуктивности. Научные аспекты изучения проблемы.
Раздел 6. Засухоустойчивость и солеустойчивость растений.

Неблагоприятные стихийные гидрометеорологические явления.

Заморозки, засухи воздушные и почвенные, суховеи, град, ливневые дожди, ураганы. Пыль и пыльные бури. Аварийные антропогенные выбросы в атмосферу, загрязнение воды и почвы. Роль неблагоприятных явлений в разные периоды онтогенеза растений. Прогнозы выживаемости АФЦ.

Основные потребности растений, в зависимости от их типа, к условиям. Зерновые, зернобобовые, масличные, овощные, плодово-ягодные культуры. Корнеплоды и клубнеплоды. Пастбищная (луговая и степная) растительность. Этапы, фенофазы, периоды роста и формирования органов в онтогенеза в зависимости от агрометеорологических условий. Возможности регуляции продуктивности растений и прогноза урожая на различных этапах органогенеза.

Фитотроны и замкнутые камеры как экспериментальная база получения информации о действии регулируемых (стабилизируемых, изменяемых по программе) факторов (интенсивность ФАР, доза, суточный ход, концентрация СО₂, температура воздуха днем и ночью, роль градиентов температур, корневое питание – в почвенной среде, гидро- и аэропонике).

Искусственные источники лучистой энергии как фактор улучшения радиационного режима в естественных условиях (в целях селекции, продукционного процесса) и в условиях закрытого грунта. Использование теплиц и фитотронов для экспериментального изучения и моделирования роли отдельных факторов. Перспективы.

Использование методов экспериментальных биологических наук для детализации «точек» специфического воздействия факторов среды на рост и формирование продукции. Экспериментальные воздействия на АФЦ, его водный и радиационный режимы в природной обстановке (плотность посева, сроки сева, изменение облученности затенителями неселективного и селективного типа, формирование кроны куста и дерева, характер размещения растений на единице площади земли, системы искусственного орошения и т.д.).

Программирование урожаев на основе моделирования и практическая коррекция ростовых процессов. Математическое моделирование различных блоков продукционного процесса. Проверка моделей.


Раздел 9. Агроклиматические ресурсы и агроклиматическое районирование.

Методы оценки. Агрометеоклиматическая информация и требования к ней. Агроклиматические аналоги. Климатическое обоснование размещения и интродукция с.-х. культур. Продукционные возможности исходных и вновь селектируемых культур. Значение качества урожая.

Биологический контроль за ростом и развитием растений. Возможности интерполяции. Текущая метеоинформация, её соответствие климатическим нормам условий роста АФЦ. Прогноз погоды и оценка климатических изменений (отклонений от среднемноголетних значений) как основа прогноза продукционного процесса. Прогноз продуктивности на основе оценки биологического состояния агрофитоценоза. Представления о различных методах прогноза состояния и развития АФЦ.

Основные формы, виды, содержание агрометеорологической информации. Агрометеослужба, агрометеостанции, агрометеорологические и агроклиматические бюллетени. Справочники (общие, региональные, факторные), карты, атласы. Космическая агрометеорология и агроклиматология.

Целью изучения дисциплины «Агроклиматология» является получение знаний о влиянии условий погоды и климата на сельскохозяйственное производство, т.е. о функционировании посевов и насаждений сельскохозяйственных культур под влиянием и при использовании факторов радиационного и гидротермического режимов в разных – оптимальных и экстремальных – погодно-климатических условиях Земли. Это позволяет в свою очередь изучать, контролировать и регулировать продукционный процесс растений в ходе формирования ими общей биологической массы и хозяйственно ценного урожая. Для этого студенты получают представление об основных, биологически необходимых, общих и продуктивных ресурсах: приходящей суммарной и физиологически активной солнечной радиации; общих, активных и эффективных суммах температуры почвы и воздуха, осадков и запасов влаги в почве; об углекислотном режиме в посевах и др. Студенты получают так же представление о пространственно-временных закономерностях распределения ресурсов и климатическом обосновании размещения сельскохозяйственных культур; знакомятся с современными методами мониторинга состояния посевов, с методами оценки продуктивности с.-х. культур, с методами численного моделирования продукционного процесса в системе «атмосфера-почва-растение-фитоценоз», с методами прогнозирования урожайности яровых и озимых культур.

В результате освоения дисциплины студенты должны владеть теоретическими знаниями по агроклиматической проблеме формирования продуктивности агрофитоценозов в зависимости от погодно-климатических условий, а так же эффективно использовать метеорологическую и климатологическую информацию для решения прикладных задач сельскохозяйственной метеорологии.

5. Рекомендуемые образовательные технологии

В процессе преподавания дисциплины «Агроклиматология» применяются следующие виды образовательных технологий: развивающее и проблемное обучение, коллективная система обучения, исследовательские методы в обучении, технология развития критического мышления, информационно-коммуникационные технологии. При чтении курса применяются следующие виды лекций: вводная, лекции-информации, обзорные лекции, проблемные лекции, лекции-конференции.

1. 
   Агрометеорологические ресурсы.
   
2. 
   Агрометеорологические прогнозы.
   
3. 
   Ветер и его роль в продукционном процессе.
   
4. 
   Потенциальная и реальная продуктивность агрофитоценозов.
   
5. 
   Фотопериодизм и территориально – региональное размещение с.–х. культур.
   
6. 
   Энергетический баланс растений при различных гидротермических условиях.
   
7. 
   Урожай озимых злаков.
   
8. 
   Погода, климат и качество урожая.
   
9. 
   «Биологические часы», рост и продуктивность растений.
   
10. 
    Лесополосы и урожаи полевых культур.
    

1. 
   Дайте определение понятия «агрофитоценоз».
   
2. 
   В чем суть «программирования» урожаев.
   
3. 
   Что определяет различия между потенциальной и реальной продуктивностью.
   
4. 
   Что такое «активные» и «эффективные» температуры.
   
5. 
   Что такое «продуктивные» запасы влаги.
   
6. 
   Как оценить «продуктивные ресурсы ФАР» для яровых и озимых культур.
   
7. 
   Назовите высокоэнергетические процессы у растений.
   
8. 
   Назовите компоненты расхода энергии на транспирацию.
   
9. 
   Как экспериментально и теоретически определяется КПД ФАР на прирост биомассы.
   
10. 
    Какие механизмы лежат в основе засухоустойчивости растений.
    
11. 
    Какие механизмы лежат в основе морозоустойчивости растений.
    
12. 
    В чем заключается роль фотопериодизма растений.
    
13. 
    В чем заключается значение исследований в фитотронах для агрометеоклиматологии.
    
14. 
    В чем заключается значение агрометеопрогнозов.
    
15. 
    Назовите основные источники и базы данных агрометеоклиматической информации.
    

1. 
   Агрометеорология как наука.
   
2. 
   Агрофитоценоз и его виды.
   
3. 
   Факторы продуктивности фитоценоза.
   
4. 
   Энергетический баланс агрофитоценоза.
   
5. 
   Фотосинтез и эффективность использования ФАР.
   
6. 
   Водно-тепловой режим растений.
   
7. 
   Термические ресурсы растений.
   
8. 
   Продуктивные ресурсы ФАР.
   
9. 
   Потенциальная и реальная продуктивность агрофитоценоза.
   
10. 
    Климатические ресурсы и районирование с.-х. культур.
    
11. 
    Морозо- и засухоустойчивость растений.
    
12. 
    Экспериментальные исследования в агроклиматологии.
    
13. 
    Агрометеорологические прогнозы.
    
14. 
    Математическое моделирование продукционного процесса.
    
15. 
    Программирование урожаев.
    
16. 
    Глобальное потепление и прогноз продуктивности агрофитоценозов.
    

1. 
   Грингоф И.Г., Клещенко А.Д. Основы сельскохозяйственной метеорологии. Том 1. Обнинск, ФГБК «ВНИИГМИ-МЦД», 2011
   
2. 
   Грингоф И.Г., Пасечнюк А.Д. Агрометеорология и агрометеорологические наблюдения. СПБ., Гидрометеоиздат, 2005.
   
3. 
   Кузнецов Вл. В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М., Высшая школа, 2006.
   
4. 
   Чирков Ю.И. Основы агрометеорологии. Л., Гидрометеоиздат, 1988.
   
5. 
   Шульгин A.M. Агрометеорология и агроклиматология. Л., Гидрометеоиздат, 1978.
   

1. 
   Агроклиматический атлас мира. М.-Л., Гидрометеоиздат, 1972.
   
2. 
   Воейков А.И. Избранные сочинения. С.-х. метеорология, Л., 1957.
   
3. 
   Куперман Ф.М., Чирков Ю.И. Биологический контроль за развитием растений на метеорологических станциях. Л., Гидрометеоиздат, 1970.
   
4. 
   Росс Ю.К. Радиационный режим и архитектура растительного покрова. Л., Гидрометеоиздат, 1975.
   
5. 
   Сиротенко О.Д. Математическое моделирование водно-теплового режима и продуктивности агроэкосистем. Л., Гидрометеоиздат, 1984.
   
6. 
   Тимирязев К.А. Избранные сочинения, т. 1-4, М., ОГИЗ Сельхозгиз, 1948-1949.
   
7. 
   Тооминг Х.Г. Экологические принципы максимальной продуктивности посевов. Л., Гидрометеоиздат, 1984.
   
8. 
   Уланова Е.С. Агрометеорологические условия и урожайность озимой пшеницы. Л., Гидрометеоиздат, 1975.
   
9. 
   Шатилов И.С, Чудновский А.Ф. Агрофизические, агрометеорологические, агротехнические основы моделирования урожаев. Л., Гидрометеоиздат, 1980.
   
10. 
    Шульгин И.А. Растение и Солнце (основы продукционного процесса). Л., Гидрометеоиздат, 1973.
    
11. 
    Шульгин И.А. Лучистая энергия и энергетический баланс растений. М., Альтекс, 2004.
    
12. 
    Шульгин И.А. Солнечные лучи в зеленом растении. М., Изд-во «ООО ПКЦ Альтекс», 2009
    

1. 
   http://www.mnr.gov.ru – официальный сайт Министерства природных ресурсов и экологии РФ;
   
2. 
   http://www.ipcc-data.org – международный центр распределения данных;
   
3. 
   http://meteoinfo.ru - официальный сайт Гидрометцентра России;
   
4. 
   www.agromet.ru – официальный сайт Всероссийского НИИ сельскохозяйственной метеорологии;
   
5. 
   www.mcx.ru – официальный интернет-портал Министерства сельского хозяйства РФ;
   
6. 
   www.cnshb.ru – официальный сайт Центральной научной сельскохозяйственной библиотеки Россельхозакадемии.
   
7. 
   www.meteo.ru – официальный сайт ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации — Мировой центр данных»
   

8. 
   Материально-техническое обеспечение дисциплины
   

1. 
   Учебная аудитория на 25 мест с мультимедийным проектором.
   
2. 
   Компьютерный класс с доступом в Интернет.
   

Протокол №___ от ______20__г.

Заведующий кафедрой профессор Кислов А.В. ____________________________

подпись
Разработчик: