Морозов А.Н.

Лекция 5. Откуда берут влагу растения?

Знание некоторых принципов легко возмещает незнание некоторых фактов.

ГЕЛЬВЕЦИЙ

 

 

В нашей засушливой зоне, почти все растения поглощают воду корнями из почвы. Иногда растения - выходцы из тропической зоны, например, кукуруза, виноградная лоза, образуют воздушные корни, но слаборазвитые.

Незначительная часть влаги поглощается листьями растений из воздуха, но только тогда, когда его влажность очень высока и близка к точке насыщения (это происходит в том случае, если температура воздуха становится близка к так называемой точке росы - температуре предельно-максимальной влажности воздуха, при которой он может содержать воду в виде пара. При снижении температуры воздуха ниже температуры точки росы образуется туман, или выпадает роса).

Все корни, как подземные, так и воздушные, кроме функции водоснабжения, активно участвуют в процессах создания органических веществ, необходимых растению, и без такой подготовки процесс создания органических веществ в листьях, как показали исследования, просто невозможен.

Корни растений, буквально "ходят" за водой, то есть растут ускоренно в сторону зон с доступной влагой. В пустынной зоне есть дикорастущие растения, корни которых уходят за водой на глубину до 20 м., например - верблюжьей колючки.

Всем знакомая рожь, имеет на одно растение во взрослом состоянии корневую систему суммарной длинной 619 км (километров!), суммарная площадь поверхности которой превышает 638 квадратных метров. При среднесуточном приросте 4,8 км, ежедневно образуются более 100 миллионов корневых волосков. По некоторым достоверным сведениям, её корни "ходят за водой" на глубину свыше 2 м, несмотря на то, что основная масса мочковатых корней располагается на глубине до 1 м. Согласитесь, эти факты с трудом укладывается в голове, но это проверенные факты.

Теперь, чтобы было понятно, как, где и чем (с помощью каких устройств) можно снабжать водой растения, расскажем о свойствах почв и подстилающих её грунтов, как о "сосуде", из которого растения черпают, а правильнее сказать, высасывают воду.

Принятые названия почвенных субстратов с разной крупностью частиц.
Теперь немного внесём ясность в правильное, то есть, понятное всем, название субстратов.
В почвоведении принято, все осадочные породы, на которых развиваются почвы, разделять по крупности на следующие категории, в мм.:

• каменистые - крупнее 50;
  
• гравелистые - от 2 до 50;
  
• песчаные - от 0,02 до 2,0;
  
• пылеватые - 0,002 до 0,02
  
• глинистые - менее 0,002.
  

Но в природе нет или почти нет осадочных пород, которые бы состояли из частиц одного диаметра. Если взять килограмм любой почвообразующей породы, например, суглинистой и попробовать рассортировать на составные части по размеру частиц то окажется, что даже самые однородные лёссовидные породы состоят из целого набора фракций разной крупности.

Такая сортировка обычно производится в лаборатории при исследовании почвы. Сначала, если в почве присутствуют крупные частицы, производят её рассев на ситах с разным диаметром отверстий. Если нет камней, то рассев ведут на ситах с отверстиями от 0,25 до 1,0 мм, а если есть камни, то добавляют сита от 3,0 до 50, иногда и до 100 мм. При этом на каждом сите остаются фракции размером больше, чем его отверстия, но меньше верхнего сита. Каждую фракцию взвешивают отдельно и определяют её процентное содержание в почве.
Фракции частиц мельче 0,25 мм разделяют по специальной методике, используя свойство более крупных частиц быстрее осаждаться в воде, чем мелких.

В домашних условиях на ощупь можно быстро и довольно точно определить механический состав вашей почвы (правильнее говорить - гранулометрический состав - содержание каждой фракции в % от веса почвы).

Камни, гравий и песок легко различаются и на вид и на ощупь.

Глина, как и песок, довольно легко отличается на вид и особенно на ощупь. Глина - своей пластичностью во влажном виде, а песок - крупинками и сыпучестью в сухом виде.

Без знания определённых приёмов довольно трудно определить супесь, суглинок. На рисунке 4.1. показано, как с достаточной для практики точностью, можно определить категорию почвы по гранулометрическому составу.

В зависимости от доли частиц осадочных пород того или иного размера, на которых формируются почвы, они получают своё название:

• каменистые;
  
• гравелистые;
  
• песчаные;
  
• супесчаные;
  
• суглинистые;
  
• глинистые;
  

Рисунок 5.1. Признаки почвы, определяющие её принадлежность по гранулометрическому составу.

Песчаные почвы (а) в сухом состоянии рассыпаются горкой, как бы вы их не старались сформовать, супеси во влажном состоянии могут удерживать форму шара (б), лёгкие суглинки можно раскатать в толстую "колбаску", диаметром 2,0 см, которая легко трескается (в). Средние суглинки легко отличить от тяжелых - при раскатывании "колбаски" диаметром менее 1 см из них не получаются (г). У тяжелосуглинистых почв такая "колбаска" без растрескивания легко сгибается в дугу (д), но растрескивается при сгибании в кольцо. У глинистых она сгибается в кольцо без растрескивания, и даже может быть завязана в узел. Слева показано, как готовится из хорошо увлажнённой почвы "колбаска" длиной 10 см, в диаметре 1,0…0,5 см.

Водные свойства почвенных субстратов в зависимости от крупности частиц.

Читатель может спросить, а зачем ему нужно знать, какие частицы образуют каркас почвы и как называется почвообразующая порода?
А затем, что от диаметра частиц и процентного содержанием той или иной фракции частиц почвообразующей породы зависят очень многие её свойства, очень влияющие на удержание, передвижение влаги и её доступность для растений:

• влагоудерживающая способность;
  
• влагопроводность;
  
• теплопроводность;
  
• воздухопроницаемость;
  
• промываемость от солей.
  
• диапазон доступной для растений влаги;
  
• трудность обработки механизмами при различной влажности и т.д.

Поэтому, когда мы перейдём к рассмотрению вопросов, как, и чем поливать, то говорить с вами мы должны научиться на понятном нам обоим языке.

Поясним на примерах, почему от крупности частиц почвы, сильно зависят перечисленные выше свойства.
Представим себе мелкие камни в виде кубиков, размером ребра 1 см. Площадь поверхности каждого такого камня составит 6 см2, или 600 мм2 а объём 1 см3.

Теперь представим, что каждый кубик вдоль и поперёк аккуратно разрезан на кубики с ребром в 1 мм. Значит, из каждого большого кубика получится 1000 маленьких, общий объём которых останется 1 см3, а поверхность? Попробуем подсчитать… Каждый маленький кубик с ребром в 1 мм будет иметь площадь 6 мм2, всего кубиков из 1 см3 образуется 1000, таким образом общая поверхность всех маленьких кубиков составит 6 мм2 * 1000 = 6000 мм2 , или в 10 раз больше, чем исходного большого кубика.

Значит, если на смоченной поверхности камня может удерживаться без стекания вниз плёнка воды толщиной, скажем 0,0001 мм, то на крупном кубике удержится 0,001 мм * 600 мм2 = 0,06 мм3 влаги, а на мелких кубиках, созданных из одного крупного кубика будет удерживаться в десять раз больше, или 0,6 мм3!

Если теперь каждый кубик с ребром в 1 мм разделить на кубики с ребром 0,1 мм, то очевидно, что удерживающая способность возрастёт ещё в десять раз и достигнет 6,0 мм3. Рассуждения можно продолжить для ещё более мелких частиц. Таким образом, становится ясным, почему один и тот же объём почвы, состоящей из мелких частиц, лучше удерживают воду, чем состоящий из крупных частиц.

Чем мельче частицы почвообразующей породы, тем лучше такая почва удерживает не только воду, но и другие вещества. Это, в значительной мере, определяет емкость почвенного поглощающего комплекса, то есть способность удерживать (адсорбиовать) на поверхности почвенных частиц и влагу, и катионы солей из почвенного раствора. Следует, однако, добавить, что почвы мелкозернистые (глинистые и тяжелосуглинистые) хоть и сильнее связывают влагу (адсорбируют), но и с большим трудом отдают её растениям.

На рисунке 5.2 показана диаграмма для легкого определения названия почвообразующей породы

 

 

 

 

 

Рисунок 5.2. Диаграмма для определения названия почвенного субстрата, предложенная американскими почвоведами.

 

 

Чтобы воспользоваться этой диаграммой, нужно найти на левой шкале свой процент глины (ила) и провести от этой точки горизонтальную линию в сторону шкалы "Процент пыли". Потом на правой шкале найти процент пыли и провести от этой точки линию вниз, параллельно диагональным линиям сетки в сторону шкалы "Процент песка". И, последнее, найдя на нижней шкале точку, соответствующую процентному содержанию песка, провести линию вверх, параллельно сетке в направлении к шкале процента глины. Название почвенного субстрата будет в области, где сойдутся все три линии. Для примера: порода, состоящая из 20 % глины, 40 % пыли и 40 % песка, попадает в область суглинка.

 

Как удерживается вода в почве?

Продолжим разговор о субстрате и его "взаимоотношениях" с почвенной влагой, и постараемся оправдаться, зачем так много говорили о гранулометрическом составе субстрата. Дело в том, что и суммарная площадь поверхности частиц на единицу веса почвы (обычно в почвоведении употребляют единицу измерения - метр квадратный на 1 грамм), и размеры пор между частицами почвы зависят от их крупности. А от удельной площади поверхности частиц зависит, как мы говорили выше, количество адсорбированной влаги, а далее, от размера пор - водопроницаемость и воздухопроницаемость почвы.
На рисунке 4.3 показано, как выглядит кусочек почвенного субстрата при очень большом увеличении. Это, конечно, рисунок, никакой микроскоп, к сожалению, в почву поместить невозможно и приготовить препарат из частиц почвы для рассмотрения под микроскопом, чтоб были видны в разрезе плёнки воды, технически невозможно, однако учёные, на основании разнообразных исследований, так примерно представляют то, что творится в почве.

Итак, посмотрим, как удерживается влага почвенными частицами.
В крупных, диаметром более 0,7 - 1,0 мм, порах почвы располагается свободная влага, которая может стекать вниз под действием силы тяжести (1). На относительно большом расстоянии от почвенных частиц находится капиллярная влага (2). Чуть ближе к почвенным частицам располагается слой легко связанной плёночной влаги (3). Эта влага хорошо доступна растениям, она содержит растворимые соли, но свободно передвигаться может только от частицы к частице (от толстых, слабосвязанных с почвой плёнок влаги, к тонким сильно связанным то есть, от мест более влажных, к местам менее влажным.

 

 

 

 

 

1. Рисунок 5.3. Схема удержания влаги частицами почвы (очень сильно увеличено).
   1. - свободная, легко стекающая под действием силы тяжести влага;
      
   2. - капиллярная влага;
      
   3. - слабосвязанная плёночная влага;
      
   4. - прочно связанная сорбционная влага;
   5. - минеральная частица почвы;
      
   6. - "защемлённый" воздух.

 

Непосредственно контактирует с почвенной частицей (5) прочно связанная сорбционная влага (4). Эта влага настолько сильно удерживается межмолекулярными силами, что она почти недоступна растениям, так как корни её всосать не могут. В этой влаге, как предполагают учёные, даже нет растворимых солей. Передвигаться она может только перейдя в парообразное состояние.
В крупных промежутках между почвенными частицами могут быть и пузырьки "защемлённого" воздуха (6), то есть воздуха, который трудно вытеснить при насыщении почвы (обычно, полного насыщения почвы водой можно достигнуть только в лабораторных условиях, увлажняя её под вакуумом).

То, что вы увидели на рисунке 5.3, это фрагмент пространства между частицами, образующими основу, иными словами, каркас почвы. По мере высыхания легко связанная влага может исчезнуть полностью, плёнки влаги могут утончаться, вплоть до полного исчезновения и пространство между почвенными частицами заполнится воздухом. При этом большинство почвообразующих пород дают усадку, то есть сжимаются блоками разной величины, между которыми образуются более широкие трещины.
Вот этот каркас из частиц почвообразующей породы, смоченных водой, содержащий воздух и является "домом" для всякой почвенной живности. В этом "доме", чтобы он перестал быть почвенным субстратом, и превратился в почву, должны жить корни растений, грибы, микроорганизмы, черви, насекомые, грызуны и прочие видимые и невидимые глазу живые организмы. Деятельность живых организмов самого разнообразного состава, которые копают, сверлят, грызут почву, передвигаются и перетаскивают растительные остатки с её поверхности вглубь, поедают, переваривают отмершие корни и способствуют насыщению почвенного слоя органическими веществами и продуктами их распада, делают почву пористой, а самое главное - плодородной!

Деятельность "населения" этого "дома" способствует улучшению водных свойств почвообразующей породы. Это проявляется в том, что практически водонепроницаемые глинистые прослойки "население" почвы делает хорошо проницаемыми, рыхлые песчаные склеивает гумусом, чтоб не мешать притоку воздуха, в общем, приспосабливает для своих нужд. Об этом можно прочесть в интереснейшей книге Н.И.Курдюмова - "Книга о плодородии почв", а мы снова вернёмся к вопросам обеспечения растений водой.

Вода в почве - попробуй, отними!

Исследованиями определено, с какой силой удерживаются на почвенных частицах плёнки влаги разной толщины.Чтобы яснее представить, насколько сильно удерживается разные, описанные выше, категории почвенной влаги на почвенных частицах посмотрите на график, изображённый на рисунке 5.4. На этом рисунке показана относительная доступность влаги, в зависимости от удалённости её слоёв от почвенной частицы.
Самый первый слой влаги, контактирующий с почвенными частицами, удерживается давлением -2300 атм.! Пятый слой удерживается давлением -40 атм. - (прочно связанная сорбционная влага), и лишь слои после шестого (менее -10 атм. - слабосвязанная плёночная влага) становятся хорошо доступными для растений. Установлено, что растения способны всасывать своими корнями влагу, удерживаемую почвой с давлением ниже -14…-16 атм. А при значениях выше - растения погибают от "жажды".

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.4. Давление воды в слоях, удалённых на различное расстояние от частиц почвенного субстрата

 

Поясним немного "по-крестьянски", как это следует понимать. Представим себе, (а ещё лучше, возьмём в руки) сильно увлажнённый кусок почвы. Попробуем из него выдавить воду, ну, скажем, обернув тряпкой и попытавшись сдавить сильно руками. При этом возможно удастся выдавить немного влаги.
Теперь положим почву под пресс и постепенно будем её сдавливать всё сильнее. Чем меньше будет оставаться в почве воды, тем меньше её будет вытекать при дальнейшем увеличении давления. Досуха выдавить всю воду из почвы нам в домашних условиях не удастся никогда, как бы мы не напрягали свой домашний пресс. Это объясняется тем, что чем меньше воды остаётся в почве, тем более тонкие плёнки её остаются вокруг частиц, и тем они прочнее сцеплены с частицами почвы. Вот и растению, когда воды в почве много - легко её отобрать корнями, а вот когда мало - всё труднее и труднее.

В литературе, до того как были установлены значения давления разных категорий влаги по её доступности для растений, их было принято обозначать терминами, показанными на рисунке 5.5, где также дано их численное значение (в % от объёма почвы). Мы их приводим для того, чтобы было можно понять, что они обозначали в физических единицах:

На этом рисунке показано, какое значение влажности в долях от объёма почвы, соответствует той или иной категории влаги по доступности растениям для разных субстратов. Сравним важные "константы", определяющие срок желательного очередного полива - ВЗР - влажность замедления роста, которая на песчаных субстратах составляет 5 %, а для легкоглинистых - достигает 30 %. Сравнение показывает, что сами по себе эти категории не могут быть интерпретированы правильно, без указания, к какой конкретно почве они относятся.
Теперь, если вспомнить рисунки 5.3 и 5.4, становится понятно, что для растения важно не объёмное содержание влаги в корнеобитаемой (лучше сказать, в корнедосягаемой!) зоне, а её доступность!

 

Рисунок 5.5. Значения влажности для разных категорий почвенной влаги в субстратах разного гранулометрического состава. (На рисунке обозначено:

• полная влагоёмкость (ПВ) - влажность почвы при полностью заполненных порах водой;
  
• наименьшая ("полевая") влагоёмкость (НВ или ППВ) - влага, удерживаемая почвой якобы без стекания;
  
• влажность замедления роста (ВЗР) (иногда ещё употребляется для этого ещё более неопределённый термин - влажность разрыва капилляров (ВРК);
  
• влажность завядания растений (ВЗ) - влажность, ниже которой растение уже не может восстановиться, после полива;
• максимальная гигроскопическая влага (МГ) - определяется в стандартных лабораторных условиях при длительном насыщении влагой над раствором серной кислоты, поскольку в природе её величина связана с относительной влажностью воздуха, которая не бывает постоянной.

Как передвигается вода в почве?

По мере изучения процессов движения влаги в почве, менялись представления о закономерностях, управляющих этим процессом. Вначале исследователи представляли движение влаги в почве как движение в капиллярных трубках разного диаметра (рисунок 5.6).

 

 

 

 

Рисунок 5.6. Прямые капиллярные трубки в стакане с подкрашенной водой.

 

 

 

 

В таблице 5.1 приведены значения высоты капиллярного подъёма в зависимости от радиуса капилляра. Но, реальное пространство между почвенными частицами очень отдалённо напоминает капиллярные трубки, поэтому учёные в своих расчётах попытались заменить капиллярные трубки с ровными стенками чёточными капиллярами (то есть трубками с периодически меняющимся диаметром).

Таблица 5.1. Зависимость высоты капиллярного поднятия от радиуса капилляра.

Потом исследователи попытались описывать пространство между почвенными частицами, как систему полостей между шарами одного диаметра, но по-разному упакованными (уложенными между собой).
Затем, признав факт, что любой почвенный субстрат имеет частицы разного диаметра, попробовали оценить пространство при разной укладке шаров разного диаметра.
В конце концов, исследователи пришли к выводу, что поскольку частицы субстрата, образующего почву разные не только по крупности и конфигурации, но и по составу слагающих почвенный субстрат минералов - твёрдых природных или искусственных тел, обладающих теми или иными химическими и физическими свойствами а, кроме того, на них сильно влияет биохимическая деятельность "населения" почвы, решили определять её некоторые усреднённые свойства, необходимые для практической деятельности.
Много для понимания закономерностей движения воды в почвенных субстратах сделали известные учёные-инженеры. Французский инженер Анри Дарси нашёл закон движения воды в насыщенных водой субстратах. Блез Паскаль установил ряд законов гидравлики, объясняющих многие явления движения влаги в почве. Главный из них - закон сообщающихся сосудов.
Но… почва, где "живет" очень много самых разных существ, под влиянием их деятельности постоянно меняется. Надо сказать, что и сами субстраты, на которых развивается почва, особенно глинистые и суглинистые, меняют свою проницаемость для воды (почвенных растворов) и от степени насыщенности влагой, (а значит и воздухом), и от наличия растворённых солей в ней, в миллионы раз и более (трудно укладывается в голове, но это так!). Связано это и с набуханием почвенных минералов, и с изменением их свойств при контакте с ионами солей, находящихся в почвенном растворе.
Это настолько интересная и необъятная тема, что сотни книжек не хватит, чтобы хотя бы вкратце описать всё то, что происходит у нас под ногами в наших почвах.
Поэтому мы просто коротко перечислим, под действием каких сил движутся почвенные растворы, чтоб, когда перейдём к вопросам "поения" растений водой, было понятно о чём идёт речь.

Итак, главная сила, благодаря которой происходит очень много процессов на земле, из-за которой упало яблоко, стукнувшее Исаака Ньютона по голове, заставившее его задуматься о законе всемирного тяготения - это сила тяжести.

Вся свободная (как мы уже говорили выше, то есть не связанная с почвенными частицами) влага движется в почве под действием этой силы.

Рыхло связанная вода в капиллярных порах передвигается уже силами поверхностного натяжения, а прочно связанная влага перетекает (переползает) от толстых плёнок к тонким, и для этих категорий влаги сила тяжести, из-за своей относительной малости, почти не играет никакой роли. Самая прочносвязанная влага практически неподвижна и может передвигаться только после того, как перейдёт в парообразное состояние.

Как связаться с нами

Вернуться на главную страницу.

Вернуться к содержанию раздела