Формы воды в почве и их доступность для растений
Растения как основные автотрофы в природе, продуценты биомассы Земли, находятся в особенных условиях по отношению к окружающей неживой природе. Вода поступает в растение из почвенного раствора через корневую систему и испаряется из растения через листья. Собственно весь водный обмен в растении состоит из трех основных этапов:
поглощения воды из почвы,
передачи воды из корня ко всем органам растения,
испарение воды из листьев.
Рассматривая комплекс вопросов по механизмам водного обмена, необходимо прежде всего разобраться в вопросе о формах воды в почве и образовании собственно почвенного раствора.
В почве имеются водоудерживающие силы, которые определяют притяжение воды к почвенным частицам, поэтому далеко не вся вода, находящаяся в почве доступна растениям.
Почвенный раствор обладает собственной сосущей силой, поэтому механизм поступления воды в растение прежде всего обуславливается разницей между осмотическим давлением корневого волоска и почвенного раствора. Концентрация почвенного раствора зависит от количества солей в почве, механического состава почвы, соотношения минеральных и коллоидных частиц в почве. Вода, находящаяся в почве, в зависимости от своего состояния может находиться в одной из следующих форм:
Гравитационная — это вода, заполняющая большие почвенные капилляры, попадающая в почву при дожде или поливе, быстро двигающаяся вниз в глубокие слои почвы под действием силы тяжести собственного веса. Для растений существенного значения не имеет, так как хотя и поглощается ими, но быстро уходит из зоны почвы, где располагается корневая система.
Капиллярная — это вода, заполняющая узкие капилляры и удерживающаяся силами поверхностного натяжения менисков. Она находится в почве длительное время, незначительно притягивается к почвенным частицам, является наиболее доступной для растений формой.
Пленочная — это вода, покрывающая непосредственно почвенные частицы, удерживающаяся на их поверхности силами молекулярного притяжения или адсорбционными силами почвенных частиц. Эта вода труднодоступна для растений, поглощается в основном растениями, приспособленными к засушливым условиям, имеющими очень высокую концентрацию клеточного сока.
Гигроскопическая — это вода, находящаяся в воздушно-сухой почве, удерживаемая внутри почвенных частиц силой свыше 100000 килопаскаль. Ее количество колеблется от 5% в песчаной почве до 14% в глинистой почве. Для растений эта вода недоступна.
Имбибиционная — это вода, находящаяся внутри коллоидных частиц почвы, вызывающая их набухание, при этом в набухшей коллоидной частице создаются значительные водоудерживающие силы. Эта форма воды характерна для торфяников. Для растений она также практически недоступна.
Очень важным моментом является соотношение скорости поглощения воды из почвы и скорости испарения воды растением. При испарении воды из листьев корневая система поглощает воду в доступной зоне, в результате чего в близлежащей почве образуется зона иссушения. Корневая система, разрастаясь вширь и вглубь, поглощает воду из более дальних участков почвы, но этот процесс не бесконечен и не всегда достаточно быстро происходит. Поэтому если испарение происходит со значительной скоростью, то корневая система слишком быстро поглощает воду и оказывается полностью в зоне иссушения. В этом случае наличие в почве запасов воды не обеспечивает поглощение воды растением. Статически доступная вода оказывается динамически недоступной.
Вода в почве будет находиться в равновесном статическом и динамическом состоянии при следующих условиях:
Будет наблюдаться очень значительное насыщение почвы корнями, так что благодаря малым расстояниям между ближайшими корнями станет невозможным местное иссушение почвы. Вот почему так важно обеспечить полив растениям на первых фазах развития, когда корневая система недостаточно развита.
Будет наблюдаться медленный ток воды через растение, когда скорость поглощения воды корнями из почвы окажется равной скорости восстановления исходного содержания воды в местах иссушения. Вот почему значительную роль играет влажность воздуха, поэтому освежительные поливы в виде дождевания часто рекомендуются в качестве элемента технологии при возделывании культур в южном засушливом климате.
Для различных видов растений (засухоустойчивых или влаголюбивых) оптимальное значение влажности почвы может варьировать в достаточно широких пределах. Кроме того, для одного и того же вида растения в разные фазы его развития этот показатель также может различаться. Более того, семена растений обладают настолько большой сосущей силой, что способны при прорастании даже использовать недоступную гигроскопическую форму воды.
Наиболее важным показателем, характеризующим почву, является влагоемкость почвы. Влагоемкость почвы — это величина, количественно характеризующая водоудерживающую способность почвы.
Водоудерживающая способность почвы — это свойство почвы удерживать в себе то или иное количество влаги от стекания действием капиллярных и сорбционных сил.
Различают следующие разновидности влагоемкости:
капиллярную или относительную,
полевую или предельную или наименьшую,
Для определения необходимости полива чаще всего используют понятие предельной полевой влагоемкости (ППВ). Поливы назначают при показателе влажности почвы равном 70-75% от предельной полевой влагоемкости.
Поэтому мы дадим определение именно этой разновидности влагоемкости, о подробнее о других разновидностях влагоемкости информацию можно получить из курса почвоведения.
Полевая или наименьшая или предельная влагоемкость — это наибольшее возможное содержание подвешенной влаги в данном слое почвы в ее естественном сложении при отсутствии слоистости и подпирающего действия грунтовых вод, после стекания всей гравитационной влаги.
Вторым существенным показателем для характеристики влажности почвы является коэффициент завядания. Коэффициент завядания для данной почвы — это такая величина влажности почвы при которой в специально поставленных опытах наступает длительное завядание растения. Этот показатель зависит только от типа почвы. Чем легче почва (песчаные, супесчаные), тем полнее используется растениями имеющаяся в ней вода, собственная влагоемкость почвы при этом меньше, т.е. меньше воды находится в виде мертвого запаса, недоступного растениям. Наоборот, влагоемкость тяжелых глинистых почв выше, значит и мертвый запас воды в ней больше.
Источник
Почвоведение Лекция 15 доступность почвеннои влаги растениям
Исключительно важная характеристика почвенной влаги — степень доступности ее для растений, потребляющих в процессе своего развития огромное количество воды. Для растений доступна не вся почвенная влага, а только та ее часть, которая удерживается в почве силами меньшими, чем сосущая сила корневых волосков. Чем менее прочно вода удерживается твердой фазой почвы, тем более она подвижна и доступна растениям. Поскольку вода в почве находится под действием различных сил, то выделяют определенные интервалы влажности почвы, в пределах которых вода характеризуется одинаковой подвижностью и доступностью растениям. Границы значений влажности почвы, при которых количественные изменения в подвижности воды переходят в качественные отличия, А.А.Роде назвал почвенно-гидрологическими константами.
В агрономической и мелиоративной практике широко используют следующие почвенно-гидрологические константы:
• максимальную гигроскопичность (МГ);
• влажность разрыва капилляров (ВРК);
• предельно-полевую влагоемкость (ППВ);
Под максимальной гигроскопичностью (МГ) понимают предельное количество парообразной влаги, которое может быть поглощено почвой, Эта влага удерживается почвой очень прочно и полностью недоступна для растений. Она представляет собой «мёртвый запас» влаги. Величину МГ используют для нахождения влажности завядания растений.
Влажность завядания (ВЗ) – влажность почвы, при которой наступает устойчивое завядание растений. Первые признаки завядания — потеря тургора. При устойчивом завядании растений тургор не восстанавливается вследствие необратимых изменений в клетках. Следовательно, содержание воды в почве, соответствующее ВЗ, нижний предел влаги, доступной для растений. Вся влага до ВЗ включительно является не доступной для растений. Ориентировочно ВЗ приравнивают к 1,5 МГ.
Величина ВЗ возрастает по мере утяжеления гранулометрического состава и составляет: в песчаных почвах 1-3%, в супесчаных 3-6, в суглинистых – 6-15, в глинистых – 20-30, в торфяных – 60-80%. Высокие величины влажности завядания, свойственные торфяным почвам, следует учитывать при их осушении. Слишком глубокое залегание уровня грунтовых вод вследствие осушения торфяников может повлечь за собой чрезмерное их иссушение и соответственно низкие урожаи возделываемых культур.
При прочих равных условиях ВЗ заметно возрастает по мере роста засоленности почв. Поэтому на засоленных почвах недостаток влаги для растений проявляется раньше и более резко по сравнению с незасоленными почвами.
Вся влага, содержащаяся в почве сверх влажности завядания до полной Влагоемкости, является доступной для растений, однако отдельные ее порции имеют существенные качественные отличия.
В диапазоне ВЗ-ППВ содержится свободная капиллярно-подвешенная вода, заполняющая капиллярные поры. Потребляя эту влагу, растения не только поддерживают свою жизнедеятельность, во и синтезируют органическое вещество. Такую влагу называют продуктивной. Капиллярно-подвешенная вода передвигается к местам ее расхода в пределах всей увлажняемой толщи почвы по капиллярам, сплошь заполненным водой. Но при определенном уровне влажности, характерном для каждой почвы, восходящее движение влаги по капиллярам резко затормаживается или прекращается вообще. Это обусловлено тем, что в почве нарушается сплошное заполнение капилляров водой, в связи с этим она теряет свою подвижность, оставаясь доступной для растений.
Влажностью разрыва капилляров (ВРК) называют влажность почвы, при которой нарушается сплошное заполнение капилляров почвы водой. Это важная почвенно-гидрологическая константа, характеризующая нижний предел влажности почвы, оптимальной для растений.
В почвах величина ВРК довольно вариабельна и в среднем составляет 50-70% от ППВ. При достижении влажности почвы уровня ВРК наступает критический момент в снабжении растений влагой. Свободная вода, остающаяся в почве, сосредоточена преимущественно в наиболее мелких влагопроводящих порах, в углах стыка частиц и не контактирует со значительной частью корневой системы. Поэтому по мере уменьшения влажности почвы от ВРК к ВЗ складываются все более неблагоприятные условия для водного питания растений, в результате чего замедляется их развитие и снижается продуктивность.
Таким образом, продуктивная влага состоит из неподвижной, а поэтому малопродуктивной влаги, находящейся в диапазоне ВЗ-ВРК, и подвижной, высокопродуктивной влаги, приходящейся на интервал ВРК-ППВ.
В первый период развития растений решающее значение имеют запасы продуктивной влаги в самом верхнем, пахотном слое почвы. В последующем растения потребляют влагу и из более глубоких горизонтов почвенного профиля. Оценка запасов продуктивной влаги приведена в таблице 75.
Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы менее 100 мм и выше 200 мм выходят за пределы оптимальных для большинства культур. Особенно негативно на их развитии отражаются избыточный (более 250 мм) и недостаточный (менее 50 мм) запасы влаги в почве.
В диапазоне ППВ-НВ находится гравитационная влага. Она легкодоступна для растений, но считается избыточной, поскольку заполняет воздухоносные поры. В результате этого нарушается газообмен почвы и ухудшается снабжение корневых систем растений кислородом. Поэтому такая влага, будучи доступной для растений, — не продуктивная.
Почва может находиться в состоянии полного насыщения водой различное время. Например, в период длительных дождей или снеготаяния гравитационная влага часто не успевает стекать естественным путем из пахотного горизонта, но в последующем она быстро исчезает из него. С другой стороны, избыточная влага может длительное время находиться в почвенном профиле вследствие близкого залегания грунтовых вод. Удалить ее можно, только понизив уровень грунтовых вод с помощью осушительных мероприятий. В этом случае разница между полной и предельно-полевой влагоёмкостью представляет собой максимальную водоотдачу МВО = ПВ — ППВ. Эта величина необходима для расчета дренажной сети. В орошаемых условиях МВО используют в прогнозах для оценки возможного подъема уровня грунтовых вод.
Влажность почвы (различные виды влагоемкости, почвенно-гидрологические константы) обычно выражают в процентах от массы сухой почвы. Иногда при расчете водоотдачи и других показателей влажность почвы выражают в процентах от объема почвы согласно следующей зависимости:
Источник