Регулирование водного режима
Регулирование водного режима почвы – обязательное мероприятие в условиях интенсивного земледелия. При этом осуществляют комплекс приемов, направленных на устранение неблагоприятных условий водоснабжения растений. Искусственно изменяя приходные и особенно расходные статьи водного баланса, можно существенно влиять на общие и полезные запасы воды в почвах и этим способствовать получению высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.
Регулирование водного режима основывается на учете климатических и почвенных условий, а также потребностей выращиваемых культур в воде.
Для создания оптимальных условий роста и развития культурных растений необходимо стремиться к уравниванию количества влаги, поступающей в почву, с ее расходом на транспирацию и физическое испарение, то есть созданию коэффициента увлажнения, близкого к единице.
В конкретных почвенно-климатических условиях способы регулирования водного режима почв имеют свои особенности.
Улучшению водного режима слабодренированных территорий зоны достаточного и избыточного увлажнения способствуют планировка поверхности почвы и нивелировка микро- и мезопонижений, в которых весной и после летних дождей наблюдается длительный застой воды.
На почвах с временным избыточным увлажнением для удаления избытка влаги целесообразно с осени делать гребни. Высокие гребни способствуют увеличению физического испарения, а по бороздам происходит поверхностный сток воды за пределы поля.
Почвы болотного типа нуждаются в осушительных мелиорациях – устройстве закрытого дренажа или использовании открытых дрен для отвода избыточной влаги.
Регулирование водного режима почв во влажной зоне с большим количеством годовых осадков не ограничивается осушительной направленностью. В ряде случаев, например на дерново-подзолистых почвах, летом проявляется недостаток влаги и потребность в дополнительном количестве воды. Эффективное средство улучшения влагообеспеченности растений в Нечерноземье – двустороннее регулирование влаги, когда избыток влаги отводится с полей по дренажным трубам в специальные источники и при необходимости подается на поля по тем же трубам или дождеванием.
Все приемы окультуривания почвы (создание глубокого пахотного слоя, улучшение структурного состояния, увеличения общей пористости, рыхление подпахотного горизонта и др.) повышают ее влагоемкость и способствуют накоплению и сохранению доступных запасов влаги в корнеобитаемом слое.
В зоне неустойчивого увлажнения и засушливых районах регулирование водного режима направлено на максимальное накопление влаги в почве и на рациональное ее использование. Один из наиболее распространненых способов влагонакопления – задержание снега и талых вод. Для этого используют стерню, кулисные растения, валы из снега и др. Для уменьшения поверхностного стока воды применяют зяблевую вспашку поперек склонов, обвалование, прерывистое бороздование, щелевание, полосное размещение культур, ячеистую обработку почвы и другие приемы.
Исключительная роль в накоплении почвенной влаги принадлежит полезащитным лесным полосам. Предохраняя снег от сдувания в зимнее время, они способствуют увеличению запасов влаги в метровом слое почвы к началу вегетационного периода на 50-80 мм и до 120 мм в отдельные годы. Под влиянием лесных полос сокращается непродуктивное испарение влаги с поверхности почвы, что также улучшает водообеспеченность полей. Наиболее эффективны ажурные и продуктивные лесные полосы.
Большое значение в улучшении водного режима почв имеет введение чистых и особенно черных паров. Наибольший эффект чистого пара как агротехнического приема накопления влаги, проявляется в степной зоне и южной лесостепи. Так, по данным агрометеостанции, в совхозе «Гигант» (Ростовская область) запасы почвенной влаги в пахотном слое почвы в среднем в 1,5 раза, а в метровом слое к концу осени в 2 раза выше на озимых по пару, чем под озимым по непаровым предшественникам (А.М. Шульгин). Весьма эффективным средством повышения запасов продуктивной влаги являются кулисные пары.
Накоплению и сохранению влаги в почве способствуют многие агротехнические приемы. Поверхностное рыхление почвы весной или закрытие влаги боронованием позволяет избежать ненужных потерь ее в результате физического испарения. Послепосевное прикатывание почвы изменяет плотность поверхностного слоя пахотного горизонта по сравнению с остальной массой. Создавшаяся разность плотностей почвы вызывает капиллярный подток влаги из нижележащего слоя и способствует конденсации и водяных паров воздуха. В сочетании с увеличением контакта семян с почвенными частицами все явления, связанные с прикатыванием, усиливают прорастание семян и обеспечивают потребность растений в воде ранней весной. Применение минеральных и органических удобрений способствует более экономному использованию влаги. Для сохранения влаги широко применяют мульчирование почвы различными материалами.
В пустынно-степной и пустынной зонах основной способ улучшения водного режима – орошение. При орошении борьба с непродуктивными потерями воды имеет особо важное значение в целях предотвращения вторичного засоления. В комплексе мероприятий по улучшению водообеспеченности растений в различных зонах важно предусматривать планомерное улучшение водных свойств почв, их структурного состояния.
Контрольные вопросы:
1. Какие выделяют категории воды в почве; каковы их прочность связи с твердой фазой почвы и доступность растениям?
2. Что такое почвенно-гидрологические константы (ПГК)? Дайте понятие основных ПГК.
3. Охарактеризуйте водные свойства почвы. Каково их значение?
4. Какое влияние на водные свойства оказывают механический состав, структурное и гумусовое состояние, состав поглощенных катионов почв?
Источник
Способы регуляции водного режима растений
Умелое регулирование водного режима растений в различные фазы вегетации в конечном итоге определяет их продуктивность и качество урожая.
Вода в растении. Количество содержащейся в растениях воды зависит от их вида, возраста и физиологической активности. Оно неодинаково и в разных органах, тканях, клетках. Вода играет существенную роль в сохранении формы и структуры травянистых растений, поддерживая их клетки в тургесцентном состоянии. Тургорное давление обеспечивает не только механическую прочность тканей растений, но и регуляцию транспирации и газообмена через устьица. Тургорное давление определяет процесс роста, способствуя растяжению молодых клеток.
Будучи основным растворителем, вода служит средой для всех превращений веществ в растении. С водой в него поступают растворенные элементы питания, переносятся продукты обмена в клетках и тканях. Вода не только среда, но и участник всех ферментативных процессов клетки, прежде всего фотосинтеза, в ходе которого на образование углеводов расходуется 0,2—0,3 % ее общего потребления.
Велика роль влаги и как терморегулятора растений. Ее наивысшие среди жидкостей теплоемкость, теплота парообразования, значительная теплопроводность обеспечивают высокую стабилизацию теплового режима растения, защищают его от колебаний температуры воздуха и почвы, предохраняя от перегрева на солнце и переохлаждения при легких заморозках. Даже у растений пустынь температура листьев, находящихся на прямом солнечном свету, лишь на 6—7°С выше температуры листьев, расположенных в тени.
Очень высокое поверхностное натяжение воды имеет большое значение для адсорбции и растворения метаболитов, передвижения растворов по тканям растения. Полная прозрачность воды для лучей видимой части спектра позволяет фотосинтетически активной радиации солнца достигать хлоропластов, находящихся в клетках листьев.
Важны не только содержание, но и состояние воды, ее тонкая молекулярная структура, которая чутко реагирует на изменение внутренних и внешних условий.
Содержащуюся в растении воду условно разделяют на свободную и связанную, однако слишком маловероятно наличие совершенно свободных молекул идеального растворителя в такой сложнейшей биологической среде, как растительный организм. Точнее делить воду на капиллярновсосанную, осмотическисвя-занную, или осмотическипоглощенную, и коллоидносвязанную.
Первые два состояния воды обычно относят к категории свободной, наиболее активно участвующей во всех физиологических процессах. Коллоидносвязанная вода, гидратирующая частицы белков и других высокополимерных соединений протоплазмы, наименее подвижна и обеспечивает стабильность части водных запасов в растении, выступая важнейшим фактором устойчивости его в неблагоприятных условиях. Состояние воды — один из факторов, регулирующих ход физиологических процессов, и это необходимо учитывать при разработке биологических основ орошаемого земледелия.
Транспирация. Испарение воды с листовой поверхности — не простой физический процесс, а сложное биологическое явление, важное для жизнедеятельности растения. Транспирация наряду с корневым давлением является главным двигателем воды по растению (оно испаряет до 97—98 % всей поглощенной воды).
Благодаря транспирации растительный организм регулирует водный и температурный режимы тканей, обеспечивает передвижение солей из корней к листьям и воздушное питание своих органов.
Величина транспирации зависит от площади листовой поверхности, опушенности листа, толщины кутикулы, погоды и других факторов. А. А. Ничипорович рассчитал расход влаги растением в зонах с различной интенсивностью инсоляции, увлажненностью почвы и площадью листовой поверхности. Расчетные величины соответствуют фактическому расходу воды по зонам, полученному А. М. Алпатьевым. Используя установленные закономерности, можно определять количество поглощаемой солнечной энергии, строить график необходимого увлажнения растений и роста листовой поверхности.
При искусственном регулировании водного и питательного режимов и усилении в связи с этим продуктивной деятельности растений транспирация повышается. Важнейшая особенность транспирации растений при орошении — ее устойчивость, тогда как на неорошаемых полях транспирация сильно изменяется не только по периодам вегетации, но и в течение дня. Амплитуда этих колебаний возрастает по мере увеличения напряженности в обеспечении растений почвенной влагой. На примере хлопчатника и перца доказана прямая пропорциональная зависимость интенсивности транспирации от наличия доступной воды в почве. При понижении влажности почвы до влажности устойчивого за-вядания транспирация резко снижается.
Для расчета оросительных норм и оценки засухоустойчивости растений приобретает значение транспирационный коэффициент — количество воды, расходуемое растением на образование единицы сухого вещества. Так как при орошении транспирация и накопление сухого вещества имеют более устойчивый характер, то и коэффициенты в целом за период вегетации и в отдельные фазы роста растений сохраняют известное постоянство. На основании этого можно точнее разделить суммарное водопотребление растений на транспирацию и испарение воды с поверхности почвы.
Засухоустойчивость и влаголюбивость растений. Одни растения и сорта быстро теряют влагу посредством транспирации и нуждаются в высокой влажности почвы, другие экономно расходуют воду, нормально растут и формируют урожай при ограниченных запасах влаги. Засухоустойчивыми называют растения, способные переносить с меньшим для себя ущербом временное обезвоживание тканей. Засуха влияет на растения двояко: вызывает большую потерю воды и повышает температуру их органов. Следовательно, вторая очень важная особенность засухоустойчивых растений — их способность переносить перегрев. Это последнее свойство сближает засухоустойчивые растения с жароустойчивыми.
Засухоустойчивые растения отличаются от незасухоустойчивых строением и особенностями физиологической деятельности. Они имеют мелкоклеточное строение, более высокую способность накапливать в листьях сахара и крахмал, защищающие их от обезвоживания; густую сеть проводящих пучков; малые размеры устьиц и большее число их на единицу поверхности листьев; мощную и глубокопроникающую корневую систему.
Излишняя потеря воды растением во время засухи приводит к нарушению водного режима и ослаблению физиологических процессов; у засухоустойчивых растений это происходит при потере значительного количества воды, у незасухоустойчивых — сравнительно небольшого.
Транспирационный коэффициент издавна пытались положить в основу оценки засухоустойчивости растений. Однако было доказано, что прямой зависимости между этими показателями нет. Транспирационный коэффициент у одних и тех же видов и сортов растений изменяется как в разные годы, так и в один год, но в разных местах. Транспирационные коэффициенты указывают лишь на соотношение между транспирацией и накоплением сухого вещества за вегетационный период.
Критический период и период максимального потребления воды. Растения способны в той или иной мере переносить недостаток воды на всех этапах индивидуального развития. Но в отдельные фазы ее нехватка особенно сильно сказывается на величине урожая и его качестве.
Еще в конце XIX — начале XX в. русские метеорологи И. А. Пульман (1898) и П. И. Броунов (1912) установили повышенную чувствительность хлебных злаков к водному дефициту с момента выхода в трубку до конца цветения. Периоды, в течение которых растение или особенно нуждается в каком-либо метеорологическом факторе, или особенно боится его, были названы критическими. Такими факторами могут быть недостаток воды в почве, высокая температура, сухость воздуха и др.
Повышенная чувствительность к недостатку влаги возникает в период интенсивного морфогенеза, дифференциации и максимального роста репродуктивных органов растений, когда высокий уровень физиолого-биохимических процессов в меристемных клетках, их бурное деление и сильное растяжение требуют оптимального количества воды, а всякое отклонение от оптимума значительно нарушает синтетические и формообразовательные процессы.
Критические периоды у большинства сельскохозяйственных культур приходятся на фазы формирования генеративных и репродуктивных органов. По Ф. Д. Сказкину они наступают в следующие фазы.
Озимая и яровая пшеница, ячмень, овес
Просовидные (сорго, просо)
Бобовые, гречиха, горчица
Свекла на семена
Цветение — молочная спелость
Образование корзинки — цветение
Цветение — закладка коробочек
Цветение — формирование клубней
Цветение — формирование плодов
Так, падение уровня влажности почвы ниже 65—70 % НВ в период дифференциации зачатков колоса и колосков хлебных злаков ведет к уменьшению числа колосков в колосе, а в фазе цветения — к повреждению пыльцы в пыльниках, неполному оплодотворению, череззернице и даже пустоколосице.
У кукурузы недостаток влаги в течение 1—2 дней в начале фазы выметывания снижает урожай на 22 %, а завядание в течение 6—8 дней — на 50 %. Последующие поливы не восполняют эти потери. То же самое наблюдается и у других культур (плодовые, томаты и т. д.), урожай которых определяется репродуктивными органами.
Для культур, урожай которых составляют вегетативные органы (клубни картофеля, кочаны капусты, луковицы и т. д.), критическими являются фазы образования и активного роста этих органов. При выращивании таких культур на семена необходимо учитывать их водопотребление в фазы формирования генеративных и репродуктивных органов.
Критические периоды у растений имеют видовые отличия: у монокарпических растений с единственным соцветием — колос, метелка — они короче, а у поликарпических со многими — бутоны — длительнее. Недостаточная влагообеспеченность в критические периоды снижает урожай у различных культур на 50 % и более, причем потери эти невосполнимы.
При орошении знание особенностей критических периодов культур по водному дефициту особенно необходимо.
Понятие критического периода распространяется также на потребность растений в питательных веществах. Так, при недостатке азота дифференциация зачатков репродуктивных органов замедляется, а величина их ограничивается; усиленное питание азотом увеличивает размеры этих органов, а фосфором ускоряет дифференциацию. Такие периоды более или менее выяснены в отношении различных видов минерального питания и микроэлементов.
Еще один показатель водного режима растений — период максимального потребления воды. В начале вегетации растения потребляют относительно мало влаги. Затем, с увеличением вегетативной массы и площади листовой поверхности, потребление воды возрастает, достигая максимума в период оплодотворения, завязывания и активного роста плодов или в сроки, близкие к этим фазам. К концу вегетации водопотребление вновь снижается. Периоды максимального потребления воды могут не совпадать с критическими периодами» но для нормального развития и плодоношения потребности растения в воде и питании должны быть полностью. удовлетворены в тот и другой периоды.
Вода и водные свойства почвы. Влага, содержащаяся в корнеобитаемом слое почвы, различается по степени связанности, подвижности и доступности для растений. В агрономической практике важно различать в почве свободную, связанную и парообразную воду.
Свободная вода подразделяется на гравитационную и капиллярную. Гравитационная вода не связана с почвой и быстро стекает вниз под действием силы тяжести. Она наиболее доступна растениям. Ее можно обнаружить лишь в процессе полива, а на глинистых почвах — и в первые 1—2 дня после полива или большого ливня. Капиллярная вода удерживается в мелких порах почвы капиллярными силами сцепления. Она тоже доступна растениям, но не стекает вниз, а удерживается почвой. Вода, удерживаемая в мелких почвенных капиллярах после стекания вниз гравитационной воды и гидравлически не связанная с водоносным горизонтом, называется капиллярно-подвешенной. При близком уровне грунтовых вод вследствие их подпора вода может заполнять и крупные капилляры. Такая вода получила название — капиллярно-подпертой.
Связанная вода представляет собой водную пленку на поверхности почвенных частиц, поэтому ее иногда называют пленочной. Образуется она в результате сорбции жидкой или парообразной влаги почвенными частицами. Непосредственно к поверхности частиц слоем около двух диаметров молекул воды примыкает прочносвязанная вода. Передвигается она только в форме пара и по своим свойствам близка к твердому телу. Остальная часть пленки, удерживаемая силой притяжения ориентированных диполей воды, состоит из рыхлосвязанной, периферийные слои которой могут частично использоваться растениями.
Парообразная вода — неотъемлемая часть всякой почвы, занимающая все свободные от жидкой воды (или льда) почвенные поры. Она легко образуется из всех других форм воды и также легко переходит в них. За счет конденсации водяного пара влажность верхних слоев почвы может повышаться зимой или в ночные часы летом. В жаркий летний день наблюдается противоположная картина: испаряясь в верхних слоях почвы, вода частично проникает в глубокие, более холодные горизонты, где конденсируется.
Все категории воды составляют запас, который соответствует влагоемкости почвы. Влагоемкость — это способность почвы вмещать и удерживать при определенных условиях некоторое количество воды. Когда все почвенные поры заполнены водой, влажность почвы соответствует ее полной влагоемкости (ПВ). При этом в почве присутствуют и гравитационная, и капиллярная, и связанная вода. Величина ПВ зависит от механического состава почвы, ее скважности и т. д.
После полного свободного стекания гравитационной воды в почве остается капиллярно-подвешенная и связанная вода, которая составляет запас, прочно удерживаемый почвой и соответствующий ее наименьшей влагоемкости (НВ). При близком залегании грунтовых вод в почве может быть не только капиллярно-подвешенная, но и капиллярно-подпертая вода, поднимающаяся по крупным капиллярам. Влажность почвы при наличии капиллярно-подпертой воды соответствует ее капиллярной влагоемкости (KB). Чем ближе грунтовые воды к поверхности, тем выше значение КВ.
Полная и наименьшая влагоемкости почвы имеют большое агрономическое значение: по ним проводят многие расчеты, связанные с назначением поливов. В частности, по отношению к НВ устанавливаются верхние и нижние пороги влажности, рассчитывают поливные нормы и т. д.
Способность почвы впитывать и пропускать через себя воду — водопроницаемость — измеряется в мм/мин, или мм/ч. В зависимости от механического состава, структурного состояния и уплотненности почвы ее водопроницаемость различна: высокая, если она способна впитать более 150 мм за первый час увлажнения, средняя — от 50 до 150 мм и слабая — менее 50 мм. Из степных почв наиболее высокая водопроницаемость у черноземов — от 100 до 320 мм/ч. Каштановым почвам свойственна средняя водопроницаемость — от 50 до 200 мм/ч. Слабой водопроницаемостью — 40—49 мм/ч обладают солонцы вследствие быстрого набухания их коллоидов. Чем легче почвы и чем больше в них органического вещества, тем они более водопроницаемы. Водопроницаемость распыленных почв меньше, чем структурных. Улучшают водопроницаемость почвы посев многолетних трав, глубокая вспашка, органические удобрения, особенно сидераты. Например, водопроницаемость темно-каштановых почв после запашки сидератов повысилась со 165 до 260-мм/ч.
Водопроницаемость почвенного слоя принимают во внимание при установлении длины поливных борозд и полос, интенсивности искусственного дождя и т. п.
Важнейшее свойство почвы — ее водоподъемная способность, то есть способность вызывать капиллярный подъем влаги. Чем мельче и однороднее почвенные поры, тем выше поднимается по ним влага. Благодаря этой способности. над водоносным пластом образуется увлажненный слой — капиллярная зона. На суглинистых почвах капиллярная зона достигает 3—6 м, на песчаных не превышает 50—70 см. Большая водоподъемная способность при сравнительно близком уровне грунтовых вод обеспечивает подпитывание корнеобитаемого слоя грунтовыми водами, что улучшает водоснабжение растений. Но она может явиться и причиной засоления или заболачивания почв.
Устанавливая поливные нормы, и особенно нормы промывных поливов, учитывают водоотдачу — способность почвы отдавать часть воды при стекании ее в нижние слои под действием силы тяжести. Максимальной водоотдачей обладает почва при отсутствии капиллярного подпитывания грунтовых вод. Этот показатель рассчитывается как разность между величинами ПВ и НВ и соответствует количеству свободной гравитационной ВОДЫ.
Способность почвы поглощать парообразную воду называют ее гигроскопичностью, а поглощенную воду — гигроскопической. Максимальная гигроскопичность — наибольшее количество воды, которое поглощает почва из воздуха при максимальном его насыщении водяными парами. При влажности, соответствующей максимальной гигроскопичности, почва содержит только связанную воду, причем 60—80 % ее — прочносвязанная, наибольшее количество которой соответствует максимальной адсорбционной влагоемкости. Максимальную гигроскопичность используют для расчета запасов продуктивной влаги в почве.
Все перечисленные водные свойства почвы зависят от ее механического состава, содержания гумуса, состава поглощенных оснований, структурности и в определенной степени — от агротехники (приемов обработки, применения удобрений и т. д.). Водные свойства почвы определяют условия обеспечения растений водой, количество и соотношение различных категорий воды.
При влажности, соответствующей ПВ, растение испытывает угнетение от избытка воды и недостатка воздуха в почве. Хорошие условия снабжения растений водой складываются при влажности почвы в пределах от НВ до 65—75 % НВ, превышающей влажность разрыва капилляров. При влажности, разрывающей капилляры, начинается замедление роста. С. И. Долгов предложил называть ее влажностью торможения роста. В зависимости от свойств почвы она соответствует примерно 60—70 % НВ и является нижним пределом влажности, при достижении которого назначают очередной полив.
Дальнейшее понижение влажности вызывает полное завядание растений. Влажность устойчивого завядания зависит от механического состава, засоленности почвы, температуры, вида растений, фаз их вегетации и соответствует примерно 1,4 максимальной гигроскопичности.
Располагая данными о наименьшей влагоемкости и влажности завядания, нетрудно рассчитать общий объем продуктивной влаги в слое почвы и контролировать ее расход.
Влияние поливных режимов и уровня агротехники на водный режим растений. В засушливых районах орошение сильно изменяет водный, питательный, воздушный и тепловой режимы растений. Улучшается фракционный состав воды в растениях: повышается содержание общей и свободной влаги и снижается отношение связанной к свободной. Чем выше предполивная влажность почвы, тем выше содержание общей и свободной воды в листьях. Например, в условиях засушливого Заволжья содержание общей и свободной воды в листьях яровой пшеницы в фазе колошения составило соответственно: без полива (контроль) — 75,0 и 32,1 %, с поливом при влажности почвы 60— 65 % НВ — 78,3 и 34,6 и при влажности 70—75 % НВ — 79,9 и 41 % к сырой массе.
На водный режим растений существенно влияют различные элементы минерального питания. Обогащение листьев растворами азотнокислого калия или натрия увеличивает гидрофильность коллоидов. Фосфор повышает количество коллоидно-связанной воды в молодых растениях, азот — в стареющих. Особенно сильно различается действие элементов питания у растений, подвергавшихся некоторому обезвоживанию.
Повышение температуры до 34—39 °С значительно снижает оводненность клеток вследствие уменьшения содержания свободной воды и возрастания осмотического давления клеточного сока. Это не всегда благоприятно для растений, так как при большом количестве связанной и отсутствии свободной воды их жизнедеятельность резко подавляется.
С улучшением водного режима почвы увеличиваются количество и размер листьев, ускоряются биохимические процессы, рост плодовых и других органов. В результате интенсивность фотосинтеза возрастает (табл. Зг! причем не только вследствие большего содержания воды в листьях и усиления воздушного питания, но и в связи с улучшен» \ условий работы фотосинтетического аппарата. При недостаточном водоснабжении изменяется состав первичных продуктов фотосинтеза, в частности задерживается образование фосфорных эмиров.
Наступление одних фаз (появление всходов, кущение) при оптимальном водном режиме ускоряется, других (развитие репродуктивных органов) — нередко задерживается. Это следует учитывать при назначении норм сроков поливов.
Продуктивность фотосинтеза гибридов кукурузы, г/м2 в сутки
Источник
