maszyna Ž roślina

technologie Ž płody rolne

Wynikami tych badań interesuje się wiele specjalności rolniczych, jak: gleboznawstwo, uprawa roli i roślin, melioracje, chemia rolna, inżynieria rolnicza, hodowla roślin i technologia rolno-spożywcza, a ostatnio – ochrona środowiska. Tymi badaniami są zainteresowane nie tylko placówki naukowe ale i sami rolnicy.

Specyfika agrofizyki polega na tym, że nie można jej utożsamiać ani z fizyką gleby, ani z fizyką roślin i płodów rolnych. Jest ona bowiem dyscypliną uniwersalną, polegającą na stosowaniu praw fizyki do szeroko pojętych materiałów rolniczych.

Agrofizyka jest nauką interdyscyplinarą, istotnie wyróżniającą się od innych kierunków i dyscyplin nauk rolniczych. Pomimo, że jest ona w Polsce wydzielona w ramach dwóch dyscyplin: nauka o glebie i technika rolnicza, to uznawana jest zarówno w kraju, jak i na forum międzynarodowym, jako odrębna dyscyplina nauk rolniczych.

Podstawowe badania agrofizyczne dotyczące systemu: gleba-roślina-atmosfera obejmują swoim zakresem opis, pomiary, symulacje i prognostyczne modelowanie procesów zachodzących w poszczególnych elementach tego systemu tzn. gleby, granicy gleba-system korzeniowy, roślina, granica roślina-atmosfera, przyziemna warstwa atmosfery, jak również procesów i zjawisk zachodzących w systemie jako całości tzn. pole uprawne oraz duży obszar z uwzględnieniem sposobu ich użytkowania. Charakterystyczną cechą parametrów systemu gleba-roślina-atmosfera jest ich zmienność czasowo-przestrzenna oraz występująca aktywność biologiczna.

Wyniki badań agrofizycznych wykorzystywane są przez inżynierię rolniczą w jej dwóch płaszczyznach, a mianowicie przy projektowaniu maszyn oraz przy ich użytkowaniu.

Należy przy tym podkreślić, że rozwój agrofizyki ukierunkowany na te potrzeby spowodował wzrost zainteresowania oceną właściwości fizycznych w innych dyscyplinach nauk rolniczych a mianowicie w hodowli roślin oraz uprawie roli. Zrozumienie znaczenia problemu dostrzegli hodowcy podejmując zadanie modyfikacji cech roślin pod kątem ułatwienia zadań konstruktorom maszyn. Studia literaturowe wskazują, że kreowanie nowych odmian, zwłaszcza w hodowli zbóż, rzepaku< i innych roślin technologicznie podobnych (pod kątem zbioru) uwzględnia ich cechy fizyczne. Podobnie w uprawie roli istnieją duże możliwości kształtowania właściwości agrofizycznych warstwy uprawnej poprzez racjonalne stosowanie odpowiedniej konstrukcji narzędzi i maszyn.

Nowoczesne metody projektowania maszyn zakładają wielowariantowe podejście zarówno przy poszukiwaniu nowych koncepcji jak też ulepszania istniejących konstrukcji. Koniecznym przy takim podejściu byłoby doświadczalne sprawdzenie (zaprojektowanie, zbudowanie, zbadanie) wszystkich wariantów rozwiązań należących do zbioru rozwiązań dopuszczalnych. Znalezienie rozwiązania optymalnego jest jednak w rzeczywistości mało prawdopodobne ponieważ eksperymenty byłyby bardzo kosztowne i czasochłonne. Stąd też zasadniczym kierunkiem w projektowaniu maszyn rolniczych wydaje się trend do tworzenia modeli matematycznych procesów roboczych i ich wykorzystania do badań symulacyjnych. Niezbędne do tego są odpowiednie informacje o właściwościach obrabianego materiału (roślina, gleba). Właściwa identyfikacja struktury modelu procesu roboczego niezbędna jest również dla potrzeb użytkowania maszyn. Modelowanie może zostać wykorzystane przy doborze parametrów regulacyjnych zespołów roboczych maszyn jak też przy ustalaniu właściwych terminów wykonywania zabiegów. Jakkolwiek modelowanie w tym względzie może być bardzo przydatne to często wystarczające jest opisywanie zależności pomiędzy zmiennymi zależnymi i niezależnymi w kategoriach rozkładów statystycznych. Przykłady takich zastosowań wyników oceny właściwości fizycznych roślin można znaleźć w literaturze i dotyczą one np. zbioru zbóż, rzepaku, traw nasiennych.

Matematyczno-fizyczne modele ruchu wody, substancji chemicznych, ciepła i gazów oraz zjawisk międzyfazowych w środowisku glebowym i materiałach biologicznych, umożliwiają sterowanie procesami, decydującymi o warunkach wzrostu i rozwoju roślin i racjonalnym gospodarowaniu wodą, z jednoczesnym zapobieganiem degradacji środowiska glebowego. W przypadku materiałów biologicznych matematyczno-fizyczne modelowanie decyduje o optymalizacji technologii zbioru, transportu, suszenia, przechowywania i przetwarzania, eliminującej straty ilościowe, z równoczesnym zapewnieniem wysokiej jakości produktu końcowego.

Badania agrofizyczne koncentrują się również na ważnych dla rolniczego środowiska produkcyjnego zagadnieniach mechaniki ośrodka glebowego, w których zastosowanie nieklasycznej mechaniki gruntów pozwala na przewidy-wanie skutków zagęszczania gleby przez maszyny rolnicze. Należy również podkreślić znaczne osiągnięcia w teorii struktury i odkształceń ośrodków komórkowych, umożliwiające nowoczesną interpretację uszkodzeń materiałów biologicznych pod wpływem zewnętrznych obciążeń i dobór odmian roślin uprawnych o najkorzystniejszych fizyczno-technologicznych parametrach.

Jednym z najważniejszych i szeroko stosowanych, praktycznie w całym ob.-szarze nauk rolniczych, są rezultaty badań agrofizycznych w zakresie metrologii agrofizycznej, to znaczy metodyki, aparatury i systemów monitorowania fizycznych parametrów ośrodków rolniczych, a także analizy czasowo-przes-trzennej i interpretacji zmienności parametrów fizycznych w systemie gleba-maszyna-roślina-atmosfera oraz w materiałach rolniczych, podczas procesów technologicznych, związanych z ich przechowywaniem i przetwarzaniem.

Zagrożenie środowiska toksycznymi substancjami (metalami ciężkimi, azota-nami) zarówno zakumulowanymi w glebach, jak i przechodzącymi do wód gruntowych i atmosfery (w postaci gazów szklarniowych), wymaga poznania mechanizmów ich uruchamiania i przemieszczania się. Istotną rolę odgrywają w tym przypadku procesy fizykochemiczne, decydujące o stanie oksydoreduk-cyjnym i odczynie gleby. Istotnym i nowym elementem agrofizyki, są badania właściwości fizycznych materiałów roślinnych.

Reasumując, należy podkreślić, że bez badań agrofizycznych i wynikającego z nich poznania właściwości fizycznych materiałów rolniczych, jest niemożliwe:

• efektywne wykorzystanie skąpych zasobów wodnych dla produkcji rolniczej;
• efektywne i bezpieczne dla środowiska, stosowanie nawożenia mineralnego;
• przeciwdziałanie fizycznej degradacji gleb (erozji, zagęszczeniu, zaskoru-pieniu, niszczeniu struktury);
• obniżanie strat ilościowych i jakościowych płodów rolnych w czasie zbioru oraz na różnych etapach obróbki pozbiorowej i przechowalnictwa;
• właściwe projektowanie i wykorzystanie maszyn rolniczych;
• prowadzenie nowoczesnych prac hodowlanych roślin.

W ostatnim trzydziestoleciu nastąpił dynamiczny rozwój agrofizyki, jako nauki niezbędnej dla funkcjonowania nowoczesnego, to jest zrównoważonego rolnictwa. Znajomość właściwości środowiska glebowego i materiałów roślinnych, a także procesów hydrotermofizycznych, mechanicznych, aeracyjnych i fizykochemicznych w nich zachodzących, pozwala na efektywne i bezpieczne dla otoczenia wykorzystanie chemizacji, mechanizacji i melioracji w rolnictwie, w celu uzyskiwania wysokich i jakościowo wartościowych plonów roślin.

O dynamicznym rozwoju agrofizyki świadczą:

• 1968 r. - utworzenie Zakładu Agrofizyki PAN w Lublinie,
• 1981 r. - powołanie Komitetu Agrofizyki PAN,
• 1986 r. – podniesienie Zakładu do rangi Instytutu Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN,
• 1991 r. - utworzenie Fundacji Rozwoju Nauk Agrofizycznych,
• 1997 r. - powołanie Polskiego Towarzystwa Agrofizycznego,
• wydawnictwa International Agrophysics (kwartalnik) od 1985 r., o zasię-gu międzynarodowym i Acta Agrophysica (czasopismo monograficzne) od 1993 r.,
• organizowanie cyklicznych międzynarodowych konferencji agrofizycznych,
• organizowanie corocznych szkół “Fizyka z elementami agrofizyki”,
• projekt utworzenia Międzynarodowego Centrum Jakości Środowiska i Żywności oraz Ochrony Zdrowia.

Agrofizyka powinna zająć właściwe miejsce w planowanym do utworzenia Międzynarodowym Centrum Jakości Środowiska i Żywności oraz Ochrony Zdro-wia (International Centre for Environmental and Nutritional Quality and Health Care).

Celem Centrum ma być szkolenie studentów i absolwentów Szkół Wyższych oraz pracowników nauki z różnych krajów, szczególnie ze wschodniej Europy w zakresie ochrony zasobów naturalnych, żywności i zdrowia oraz możliwość uzyskiwania stopni doktora.

Centrum będzie zlokalizowane na terenie Instytutu Agrofizyki i Akademii Rolniczej w dzielnicy Lublin-Felin. Do dyspozycji jest uzbrojony w pełni teren, zaplecze IA PAN oraz potencjał 5 uczelni i instytutów Lubelsko-Puławskiego Ośrodka Naukowego. Przewidywana jest budowa hotelu dla kursantów, dokto-rantów i wykładowców na ok. 200 miejsc, pawilonów z salami wykładowymi i laboratoriami wyposażonymi w nowoczesną aparaturę o pow. ok. 15 000 m².

Protektorzy Centrum: Polska Akademia Nauk, Ministerstwa: Edukacji Naro-dowej, Ochrony Środowiska, Rolnictwa i Gospodarki Żywnościowej, Zdrowia i Opieki Społecznej oraz zagraniczne instytucje naukowe i różne organizacje.

Badania Agrofizyczne są prowadzone w wielu ośrodkach, ale jedynie w Instytucie Agrofizyki PAN mają one charakter badań kompleksowych.

Instytut został utworzony z inicjatywy profesora Bohdana Dobrzańskiego, najpierw jako Zakład Agrofizyki PAN w 1968 r., przemianowany w Instytut Agrofizyki PAN w 1986 r., a od 1998 wpisany do rejestru Instytutów Polskiej Akademii Nauk posiadających osobowość prawną.

Instytut jest zlokalizowany w dzielnicy Lublin-Felin. Posiada własną bazę: budynki o pow. 5.000 m² oraz teren o pow. 4,5 ha.

Pierwszym kierownikiem Zakładu Agrofizyki do roku 1980 był jego twórca – profesor Bohdan Dobrzański, kolejnym do roku 1982 – profesor Ignacy Dechnik a następnie Instytutem kieruje profesor Jan Gliński.

Przewodniczącymi Rad Naukowych byli kolejno profesorowie: Tadeusz Skawina (1968-1976), Andrzej Waksmundzki (1976-1977), Stanisław Nawrocki (1978-1980), Bohdan Dobrzański (1981-1986), Saturnin Zawadzki (1987-1992), Rudolf Michałek (1996-1998), a od 1999 ponownie Saturnin Zawadzki.

Instytut ma uprawnienia do nadawania stopni naukowych doktora i doktora habilitowanego nauk rolniczych w zakresie agronomii – specjalność agrofizyka.

Od roku 1985 ukazuje się międzynarodowy kwartalnik International Agrophysics, który wraz z wydawnictwem Acta Agrophysica o charakterze monograficznym i specjalnymi tomami Zeszytów Problemowych Postępów Nauk Rolniczych redagowany jest w Instytucie.

Od wielu lat Instytut utrzymuje wysoką pozycję w rankingu KBN, a obecnie jest zakwalifikowany na trzecim miejscu w kategorii I (Tab. 1). Aktualnie zatrudnia 107 pracowników, w tym 68 naukowych (Tab. 2). Kadra naukowa Instytutu składa się głównie z absolwentów lubelskich uczelni i reprezentuje różne specjalności: fizykę, fizykochemię, matematykę, gleboznawstwo, biologię, geografię, inżynierię rolniczą.

Tabela 1. Ocena na podstawie rocznych sprawozdań z działalności Instytutu

Table 2. Stan zatrudnienia na 31.12.1998 r.

Struktura organizacyjna Instytutu

Profil działalności:

Badanie i modelowanie procesów wymiany masy i energii w systemie gleba-roślina-atmosfera ze szczególnym uwzględnieniem wodnych i termicznych właściwości elementów systemu.

Opracowywanie wyników dla optymalnego systemu regulacji właściwości hydro- i termofizycznych badanych systemów.

Kierownik: doc. dr hab. Marek Malicki

Profil działalności:

Badanie wpływu fizycznych właściwości gleby na jej stan natlenienia i jego wskaźniki. Określenie związków między wskaźnikami natlenienia a procesami glebowymi i reakcją rośliny.

Wykorzystanie wyników do optymalizacji nawożenia mineralnego i minimalizacji efektów zanieczyszczeń środowiska rolniczego. Kierownik: prof. dr hab. Zofia Stępniewska

Profil działalności:

Badania nad zmianami struktury ośrodków agrobiologicznych wywołanych działaniem sił zewnętrznych, a szczególnie: uzyskiwaniem obrazów mikros-kopowych, ich ilościową analizą (rozkłady pól powierzchni komórek, długości ścian komórkowych itp.), trójwymiarową rekonstrukcją, wczesnym wykrywaniem stanów krytycznych i wyznaczaniem charakterystyk mechanicznych.

Badania nad fizycznymi warunkami powstawania i rozwoju pęknięć w komórkowych ośrodkach roślinnych.

Prace z zakresu komputerowej symulacji granularnych struktur glebowych wykorzystujące realne rozkłady wielkości cząstek i porowatości oraz przewidy-wanie ich charakterystyk fizycznych, jak np.: rozkład wielkości porów, krzywe retencji, i inne. Metoda nadaje się także do innych ośrodków, jak ziarna, cukier itp.

Prace metodyczne nad jednoczesnym badaniem naprężeń i odkształceń, z ciągłą rejestracją, w ośrodkach glebowych poddanym oddziaływaniom ciągników i maszyn rolniczych.

Kierownik: prof. dr hab. Krystyna Konstankiewicz

Profil działalności:

Badania wpływu właściwości fizykochemicznych gleby ze szczególnym uwzględnieniem właściwości międzyfazowych i ich związku z ustalaniem równowag i przebiegiem procesów transportu masy w systemie gleba-roślina.

Badania nad fizykochemicznymi warunkami tworzenia i trwałości struktury gleby, możliwościami jej modyfikowania, a także powiązania z charakte-rystykami powierzchniowymi, wodnymi energetycznymi.

Wykorzystanie badań do pracy nad wiązaniem metali ciężkich przez ośrodki rolnicze oraz ich detoksykacją. Kierownik: prof. dr hab. Zofia Sokołowska

Profil działalności:

Badanie fizycznych warunków glebowych związanych z rozwojem roślin i funkcją korzeni.

Badanie zjawisk i procesów warunkujących fizyczną degradację gleb – zaskorupienie i zagęszczenie gleb oraz związana z tym erozja wodna gleb.

Badanie związków pomiędzy matematycznymi parametrami sygnału odzwier-ciedlającego zmiany oporów w glebie a cechami agregatów. Kierownik: prof. dr hab. Jerzy Lipiec

Profil działalności:

Badania właściwości fizycznych surowców roślinnych typu nasiona roślin uprawnych, owoce i warzywa oraz procesów fizycznych zachodzących podczas zbioru, transportu, przechowywania i przetwarzania płodów rolnych.

Oryginalne prace metodyczne nad pomiarami właściwości fizycznych materia-łów roślinnych.

Wykorzystanie badań do prac nad optymalizacją zbioru i opracowywanie nowych technologii rolniczych.

Kierownik: prof. dr hab. Bogusław Szot

Instytut jest włączony do regionalnej i ogólnokrajowej sieci komputerowej i ma swojego przedstawiciela w Radzie Użytkowników MAN. Każdy z pracowników Instytutu ma bezpośredni dostęp do INTERNET-u. Dotychczas utworzono trzy bazy danych, dostępne pod adresem: http://athena.ipan.lublin.pl/o-bigleb (lub /biblioteka, lub /aparatura).

Bank informacji o glebach mineralnych Polski O-BIGLEB-M

Baza informacji o glebach mineralnych Polski O-BIGLEB-M służy do składowania i prezentacji danych obejmujących charakterystyki i właściwości 3000 próbek glebowych pochodzących z trzech poziomów genetycznych 1000 wzorcowych profili glebowych, w obrębie 33 jednostek glebowych wg klasyfikacji PTG.

Baza pn.: “Bank informacji o zasobach aparaturowych Instytutu Agrofizyki PAN” jest opracowywana na podstawie aktualnego stanu posiadania aparatury i środków trwałych. Obecnie baza udostępnia informacje o 35 stanowiskach badawczych i o 100 urządzeniach wchodzących w skład tych stanowisk.

Baza spełnia rolę informacyjną, nie tylko dla środowiska naukowego, a także dla praktyków wielu dziedzin (ochrona środowiska, ekologia, medycyna itp.), współpracy ze środowiskiem w celu lepszego wykorzystania aparatury w szerokiej współpracy.

Bank informacji o zbiorach bibliotecznych Instytutu Agrofizyki PAN

Instytut od wielu lat prowadzi specjalistyczną bibliotekę, głównie z zakresu nauk rolniczych o specjalności agrofizyka, a szczególnie: ograniczenia fizycznej degradacji środowiska i ochrony jego zasobów; właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych ośrodków glebowych i roślinnych; metodyki pomiarów, modelowania i monitoringu; podwyższania wartości użytkowej płodów rolnych. Zdecydowana większość zbiorów to oryginalne i nie występujące w innych zbiorach tytuły.

Biblioteka Instytutu posiada niewielki, ale cenny księgozbiór: książki 2 896 woluminów; czasopisma zagraniczne 90 tytułów, krajowe 50 tytułów, łącznie 1 514 woluminów.

Baza pn.: “Bank informacji o zbiorach bibliotecznych Instytutu Agrofizyki PAN” została opracowana na podstawie aktualnego stanu zbiorów. Aktualnie baza zawiera ponad tysiąc pozycji wydawnictw zwartych, w tym opracowane i wydane w Instytucie unikalne tytuły z zakresu najnowszych monograficznych opracowań z zakresu agrofizyki, materiały konferencji oraz skrypty.

Kontynuowane są prace nad opracowywaniem i wprowadzeniem bieżących publikacji pracowników Instytutu za rok 1996 – współpraca ze środowiskowym programem “Baza publikacji regionu środkowo-wschodniego ScienCE”, którego koordynatorem jest Politechnika Lubelska.

Instytut współpracuje w ramach dwustronnych porozumień z 15 placówkami krajowymi, głównie z uczelniami wyższymi, a także z instytutami resortowymi, m.in. z IUNG, IMUZ, IHAR.

Instytut Agrofizyki współpracuje z partnerami zagranicznymi w ramach 28 umów bezpośrednich m.in. z placówkami: Anglii, Austrii, Belgii, Białorusi, Bułgarii, Chin, Czech, Finlandii, Francji, Hiszpanii, Holandii, Izraela, Japonii, Kanady, Niemiec, Norwegii, Rosji, Słowacji, Szwecji, Ukrainy, USA, Węgier i Włoch.

Współpraca polega na realizowaniu wspólnych tematów badawczych związanych z problematyką Instytutu Agrofizyki, a w szczególności w zakresie:

• hydrotermofizyki środowiska glebowego, z uwzględnieniem nowoczesnych metod pomiarów wilgotności, temperatury i zasolenia gleb, mikroklimatu pola uprawnego;
• mechanicznych właściwości materiałów rolniczych z zastosowaniem metod mikroskopii, rentgenografii, tomografii komputerowej;
• aeracji środowiska glebowego z uwzględnieniem procesów oksydoreduk-cyjnych i emisji gazów cieplarnianych;
właściwości fizykochemicznych gleb ze szczególnym uwzględnieniem teorii zjawisk powierzchniowych;
• fizycznej degradacji gleb ze szczególnym uwzględnieniem wpływu zagęsz-czenia, zaskorupiania i erozji na właściwości glebowe i na rośliny;
• właściwości fizycznych materiałów roślinnych i płodów rolnych w aspekcie poprawy ich jakości.

Efektem współpracy są współautorskie publikacje (ok. 20 rocznie), prezen-tacje na konferencjach (ok. 10 rocznie) oraz wspólne przygotowywanie projektów w ramach IV a aktualnie V programu UE. Średnio rocznie wizytuje Instytut 50 gości zagranicznych, a 70 pracowników Instytutu wyjeżdża zagranicę.

Ostatnia 6 Międzynarodowa Konferencja Agrofizyczna (15-18.09.1997 r.) podsumowała dotychczasowe osiągnięcia agrofizyki i dała wytyczne na przyszłość.

W aspekcie aktualnej i perspektywicznej problematyki zrównoważonego użytkowania ziemi konferencja pozytywnie oceniła stan obecny i wytyczyła podstawy dla przyszłych badań agrofizycznych.

Głównym celem agrofizyki jest zastosowanie fizyki w rolnictwie i przetwórstwie materiałów biologicznych, z uwzględnieniem jej specyficznych metod badawczych w zakresie analityki i interpretacji.

Rozwój nowoczesnej, zrównoważonej i bezpiecznej produkcji biologicznej nie jest możliwy bez znajomości czynników agrofizycznych.

• Tworzenie bazy danych wszystkich czynników i systemów odnoszący się do produkcji biologicznej i procesów technologicznych w zrównoważonym środowisku, włączając bazę danych faktograficznych i analizy porównawcze uwzględniające zmienność czasowo-przestrzenną. Tworzeniem takiej bazy powinien się zająć Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie;
• Tworzenie nowych podstaw i narzędzi w celu realizacji i właściwego wykorzystania wyników badań agrofizycznych;
• Ustanowienie Międzynarodowego Towarzystwa Agrofizycznego w celu upowszechnienia postępu wiedzy agrofizycznej;
• Zorganizowanie następnej 7 Międzynarodowej Konferencji Agrofizycznej w Chinach, Nankin w 2001 r.

Od 1989 roku Instytut z Komitetem Agrofizyki PAN organizuje coroczne Szkoły pod wspólnym tytułem “Fizyka z elementami agrofizyki”.

W Szkołach biorą udział pracownicy uczelni – wykładowcy oraz młodzi pracownicy naukowi, a także pracownicy naukowi instytutów. Każda Szkoła poświęcona jest wybranemu szczegółowemu tematowi, dlatego wzbudza zainteresowanie w wielu środowiskach, a wśród stałych uczestników są przedstawiciele uczelni rolniczych, akademii medycznych, uniwersytetów, politechnik, szkół pedagogicznych. W XI Szkole (1999 r.) po raz pierwszy wezmą udział przedstawiciele szkół średnich o profilu rolniczym.

Dzięki finansowemu wsparciu Fundacji Rozwoju Nauk Agrofizycznych, począwszy od III Szkoły, są wydawane skrypty z wykładami i ćwiczeniami, które cieszą się dużym zainteresowaniem nie tylko wśród uczestników szkół.

Podsumowując przedstawioną problematykę badań agrofizycznych prowa-dzonych przez Instytut Agrofizyki PAN należy stwierdzić, że stanowi ona istotny element badań proponowanych w ramach V Programu U.E. w zakresie zrównoważonego wykorzystywania naturalnych zasobów środowiska dla zaspo-kajania niezbędnych potrzeb ludności.

Badania agrofizyczne znajdują też natychmiastowe zastosowanie w programach dotyczących doskonalenia jakości produkcji rolniczej. Plon o wysokiej jakości to “zdrowa żywność” wyprodukowana przy minimalnym zaburzeniu naturalnego środowiska i ekologiczne zagospodarowanie ewentualnych odpadów.

Jan Gliński, Krystyna Konstankiewicz

powrót do wydawnictwa