Дисциплинарный модуль 1. Основы почвоведения
Тема 2. Оптимизация условий жизни растений
1. Факторы жизни растений. Законы земледелия
2. Оптимизация условий жизни растений
Водный режим и водные свойства
Воздушный режим почвы
Тепловой режим почвы
1. Факторы жизни растений. Законы земледелия
Наука о развитии сельскохозяйственного производства имеет особое значение.
Обусловливается это многими факторами, прежде всего многообразием и сложностью
процессов, обеспечивающих фиксацию солнечной энергии и превращение ее в
органическое вещество. Процесс создания урожая связан с наличием определенных
внешних условий, с их динамикой во времени, с различной способностью растений
использовать почвенные и климатические условия и противостоять неблагоприятным
воздействиям. Важнейшее условие для получения высоких и устойчивых урожаев
культурных растений это обеспечение их одновременно и в оптимальном количестве
всеми факторами жизни. Для жизнедеятельности любого зеленого растения необходимы
следующие условия (факторы жизни): свет, тепло, вода, питательные вещества (в
том числе зольные элементы и углекислота) и воздух.
Законы земледелия. Согласно общебиологическим законам земледелия
продуктивность растения зависит от их наличия и оптимального сочетания. Одним из
таких законов является закон незаменимости и равнозначимости факторов жизни.
Закон незаменимости и равнозначимости факторов жизни сформулирован В.
Р. Вильямсом: "Растения для своей жизни требуют одновременного и совместного
наличия или такого же притока всех без исключения условий или факторов своей
жизни". Часто закон выражается иначе: "Ни один из факторов растений не может
быть заменен другим". Вторая часть закона: "Все факторы жизни растений
равнозначимы". При этом имеются в виду как земные, так и космические факторы.
Факторы жизни независимо от количественной потребности в том или другом
физиологически одинаково необходимы растению. Если потребность растения не будет
удовлетворена в каком-либо факторе жизни, будь то тепло, вода или какой-то
микроэлемент, то растение погибнет. В. Р. Вильямc писал: "До сих пор еще не
угасли мечты о каком-то таком средстве, которое может помочь во всех случаях, и
по большей части стремятся видеть такое средство или в каком-либо искусственном
удобрении, или в каком-либо улучшенном сорте семян".
Этот закон является основополагающим. При большом разнообразии почвенных и
климатических условий и неодинаковой потребности возделываемых культур создаются
различные сочетания факторов жизни, которые, например, удовлетворяют потребности
растений в воде, но не обеспечивают в элементах пищи. Поэтому необходимо
заботиться об удовлетворении потребности растений в первую очередь в факторах
жизни, находящихся в минимальных количествах.
Закон минимума, оптимума, максимума. Смысл обобщенного закона
заключается в том, что наиболее высокий урожай может быть получен при
оптимальном наличии фактора, уменьшение (минимум) или увеличение его (максимум)
ведет к снижению урожая. Закон минимума открыт Ю. Либихом. "...Веществом,
находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется его величина и
устойчивость во времени". На основании опытов Г. Гельригеля, Ю. Сакса, Э. Вольни
доказано, что закон минимума действителен для всех факторов жизни растений.
Опытами установлена зависимость величины урожая от фактора, находящегося в
относительном минимуме. В настоящее время этот закон трактуется так: "По мере
удовлетворения потребности растения в недостающем факторе урожай повышается до
тех пор, пока не будет ограничен другим фактором, оказывающимся в минимуме".
Например, если в почве достаточно питательных веществ, но мало воды, то урожай
будет ограничиваться влагой.
В условиях Восточной Сибири в лесостепной и степной зонах в первом минимуме
находится влага, поэтому рекомендуется применять в этих зонах в первую очередь и
влагосберегающие агромероприятия. Максимальное насыщение почвы водой (максимум)
приводит к резкому снижению урожая или к полной гибели растений (например,
использование полива "затоплением" на орошаемых землях при выращивании яровой
пшеницы). Только при оптимальном наличии каждого фактора жизни растений
формируется наибольший урожай. В. Р. Вильямc дал конкретное определение закона:
"Наибольший урожай осуществим при среднем (оптимальном) наличии фактора, при
наименьшем (минимальном) и наибольшем (максимальном) наличии фактора урожай
неосуществим (равен нулю)".
Каждое растение имеет оптимальные границы, в пределах которых обеспечение
каждым фактором жизни оказывает наиболее благоприятное воздействие на урожай.
Это отчетливо наблюдается по отношению растений к температуре, свету, воде и
другим факторам. Так, точки оптимума, минимума и максимума для температуры были
установлены Ю. Саксом. Следует отметить, что положение точек минимума, оптимума
и максимума не является постоянным, оно резко меняется в зависимости от наличия
и соотношения других факторов: "Граница, с которой начинается вредное действие
того или иного фактора, так же, как и известного сочетания их, тоже не является
постоянной. В зависимости от сочетания факторов жизни растений, от степени
обеспечения потребностей растений одновременно во всех факторах положение этой
точки будет меняться". Таким образом, оптимизация в обеспеченности каким либо
одним или несколькими факторами не приведет к полному успеху. Наибольший урожай
возможен при одновременном наличии в оптимальном количестве всех факторов жизни
растений.
Закон совокупного действия факторов жизни растений. В научной
литературе этот закон часто называют законом совокупного действия факторов роста
(Э. А. Митчерлих, А. Г. Дояренко и др.). В. Р. Вильямc так сформулировал этот
закон: "Наибольшая эффективность всякого фактора осуществляется только при
полной обеспеченности растения другими факторами". Действие закона проявляется в
том, что все факторы жизни растений неразрывно связаны друг с другом в единое
целое. Воздействие на один из них влечет за собой изменение других.
Академик В. Д. Панников отмечает: "Основной же вывод из закона совокупного
действия факторов - это тот, что наивысшую эффективность в земледелии нельзя
обеспечить одним каким-либо агрономическим приемом, даже весьма сильным, ее
можно достичь лишь применением всего комплекса агротехнических мероприятий".
Каждый специалист должен быть убежден в том, что без учета действия этого закона
нельзя получать высокие и устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур.
Совместное действие факторов жизни растений проявляется не только в лучшем, но и
в худшем сочетании. "Закон находит свое выражение в явлениях взаимного усиления,
или синергизма, и взаимного подавления, или антагонизма...".
Очень важной практической особенностью закона является то, что положительные
результаты его проявляются лишь тогда, когда количественное изменение
действующих факторов подобрано правильно, в соответствии с потребностями и
особенностями выращиваемых культур. Это позволяет земледельцу воздействовать на
любой фактор растений не только прямо, но и косвенно, через другие связанные с
ним факторы, добиваясь, таким образом, формирования высоких урожаев. Например,
внося доступные формы питательных веществ в почву в виде минеральных удобрений,
можно экономнее расходовать влагу, особенно в засушливые годы.
Закон возврата веществ в почву был открыт одним из основоположников
агрохимии Ю. Либихом в середине XIX пека. Суть закона: все, что отчуждается из
почвы с урожаем, должно быть возвращено, иначе неизбежно падение плодородия. В
настоящее время этот закон следует понимать так, что "все биологически важные
(элементы питания, взятые урожаем из почвы или потерянные другими путями, должны
возвращаться в нее с некоторым превышением, чтобы обеспечивать непрерывный рост
урожаев и компенсировать возможные потери в результате смыва, выщелачивания,
денитрификации и по другим причинам. Это достигается внесением удобрений,
запашкой пожнивных остатков, а также путем возделывания бобовых культур,
способствующих накоплению в почве азота. Только в этом случае обеспечивается
круговорот веществ и повышается плодородие почвы".
Закон плодосмена - это чередование культур разных биологических групп.
В основе закона лежит общебиологический закон единства и взаимосвязи
растительных организмов (фитоценоза) и условий среды. Закон плодосмена требует,
чтобы на данном поле как можно чаще чередовались культуры, отдаленные по
биологии и технологии возделывания. Необходимость периодической смены различных
культур (плодосмена, севооборота) по сравнению с бессменной культурой доказана
наукой и мировой практикой земледелия.
2. Оптимизация условий жизни растений
В почве непрерывно происходят биологические и биохимические процессы,
различные физические и механические изменения, химические превращения одних
соединений в другие. Почва является средой обитания растений, которые она в той
или иной степени обеспечивает водой, питательными веществами и другими
необходимыми факторами жизни. Степень обеспеченности растений этими условиями
зависит от определенного соотношения твердой, жидкой, газообразной частей и
живых организмов почвы. Наилучшие условия жизнедеятельности почвы, роста и
развития возделываемых на ней растений создаются, когда это отношение составных
частей (фаз) почвы достигает оптимальных параметров (показателей).
Водный режим и водные свойства почв. Приемы их регулирования.
Совокупность поступления воды, воздуха и тепла, их передвижения, расхода из
почвы и изменений характеризуется водным, воздушным и тепловыми свойствами почвы
(режимами почвы)
Вода является необходимым условием жизни растений. Она представляет один из
элементов плодородия почвы. Влага нужна растениям, прежде всего как источник
химических элементов, входящих в состав синтезируемых органических веществ. Она
служит средой, в которой растворены питательные вещества и происходит ряд
биохимических процессов. Вода поддерживает тургор в клетках и растительных
тканях. Такие жизненно важные процессы, как деление и рост клеток, фотосинтез,
дыхание нормально совершаются лишь при определенном тургоре, т.е. при
достаточном количестве воды в клетках.
При недостаточной влажности почвы и сильной транспирации корни растений не
могут подавать воду в листья с такой же скоростью, с какой они ее испаряют.
Поэтому растения теряют тургор и увядают. Периодический временный недостаток
воды в течение вегетации приводит к ослаблению фотосинтеза и снижению урожая, а
при длительной засухе √ к гибели растений. Влажность почвы оказывает решающее
влияние на некоторые фазы развития растений.
Вода в почве оказывает косвенное действие, изменяя различные свойства почвы,
ее воздушный, тепловой и пищевой режимы. Если влажность в почве изменяется,
происходит усиление или ослабление деятельности микроорганизмов, что отражается
на процессе превращения питательных веществ из одних форм в другие. Излишняя
влажность, как и недостаток, замедляет процесс минерализации органического
вещества в почве и образования доступных для растений форм питательных веществ.
Влажность почвы оказывает большое влияние на качество полевых работ и на
величину тяговых усилий. При обработке переувлажненных или сухих почв требуются
дополнительные тяговые усилия, при этом ухудшается качество работ.
Водный режим почвы √ совокупность процессов поступления влаги в почву, ее
перемещения, аккумуляции и расхода.
Основа водного режима почвы √ баланс в ней влаги. Приходная часть баланса:
атмосферные осадки, грунтовые воды, если они залегают на сравнительно небольшой
глубине до 5 м, поливная вода. Расходная часть баланса: расход на транспирацию,
испарение с поверхности почвы, горизонтальный и вертикальный сток.
Водный режим почвы характеризуется влажностью, влагоемкостью,
водопроницаемостью, водоподъемной и испаряющей способностью.
Влажность почвы √ это общее количество воды, содержащееся в почве, которое
вычисляется к массе абсолютно-сухой почвы, выражается в процентах.
Водоудерживающая способность √ способность почвы вмещать и удерживать влагу.
Водоудерживающая способность характеризуется влагоемкостью, влагоемкость √
количество воды, которое почва способна удерживать в себе. Водопроницаемость
√
способность почвы пропускать воду из верхних слоев в нижние под влиянием силы
тяжести и капиллярной силы. Водоподъемная способность - способность почвы
поднимать по своим капиллярам воду из нижних горизонтов в верхние. Испаряющая
способность - способность почвы испарять влагу с поверхности.
Типы водного режима
Земледельческое воздействие на условия водного режима пахотных почв зависит от
типа водного режима.
Г.Н.Высоцкий установил 4 типа водного режима: промывной, периодически промывной,
непромывной и выпотной.
А.А.Роде выделил 6 типов : мерзлотный, промывной, периодически промывной,
непромывной, выпотной, ирригационный. Это классификация получила дальнейшее
развитие и насчитывает 14 типов водного режима. Классификация нуждается в
дальнейшем уточнении.
Мерзлотный тип свойственен почвам, формирующимся в условиях многолетней
мерзлоты. Мерзлотный слой почвогрунта обусловливает наличие надмерзлотной
верховоды. Поэтому влажность оттаявшей почвы в течение большей части
вегетационного периода поддерживается на уровне от наименьшей до полной
влагоемкости.
Промывной присущ почвам лесной зоны, где годовая сумма осадков превышает
испаряемость. В годовом цикле влагооборота нисходящие токи преобладают над
восходящими. Почвенная толща, ежегодно весной и осенью, подвергается сквозному
промачиванию до грунтовых вод, что приводит к выщелачиванию продуктов
почвообразования.
Периодически промывной соответствует условиям, когда годовые величины осадков и
испаряемости близки (оподзоленные и выщелоченные черноземы). Для данного типа
водного режима характерно чередование промачивания почвенно-грунтовой толщи
(непромывные условия) в обычные и засушливые годы и сквозное промачивание √ во
влажные (1 раз в 10-15 лет).
Непромывной господствует в условиях степей, полупустынь и пустынь, где
среднегодовая норма осадков меньше среднегодовой испаряемости. Почвенная толща
промачивается в пределах 0,5 √ 2 м. В верхней части почвенного профиля влажность
колеблется в зависимости от выпадающих осадков в пределах от полной влагоемкости
до влажности завядания, а в нижней она находится между влажностью разрыва
капилляров и влажностью завядания в течение всего года.
Выпотной проявляется степной и особенно в полупустынной и пустынной зонах при
близком залегании грунтовых вод. В таких условиях происходит интенсивное
поднятие влаги по капиллярам от грунтовых вод в верхние горизонты почвы и ее
испарение. При наличии в воде солей эти горизонты засоляются.
Ирригационный создается искусственным орошением.
Основные пути регулирования водного режима в земледелии:
-в засушливых районах √ искусственное орошение;
-воздействие на микроклимат: создание лесозащитных полос, искусственные водоемы,
полезащитные мероприятия;
-использование агротехнических приемов, способствующих накоплению, сохранению и
рациональному использованию влаги, такие как снегозадержание (различные
искусственные преграды, устройство снежных валов снегопахами, кулисы из
высокостебельных растений);-муль
чирование √ покрытие почвы различными материалами;
-обработка почвы с сохранением стерни на поверхности.
Также мероприятия по улучшению структурного состояния почвы, водно-физических
свойств почвы, в частности, посев многолетних трав, внесение удобрений,
уничтожение сорняков.
Воздушный режим почвы, приемы его регулирования
Почвенный воздух. Газообразная фаза представлена воздухом. Под почвенным
воздухом понимается смесь газов, заполняющая свободные от воды поры. Почва
содержит воздух, проникающий из атмосферы, и газы, образующиеся в самой почве в
результате происходящих в ней биохимических процессов.
Атмосферный воздух значительно отличается от почвенного. Состав атмосферного
воздуха выражается в объемных процентах следующими числами: азот - 78,08,
кислород - 20,95; углекислый газ - 0,03. В атмосферном воздухе имеются и другие
газы в очень небольших количествах: аргон, гелий, криптон, водород, ксенон,
азот, радон; в состав воздуха входит водяной пар (от 0 до 4 %). Вблизи
промышленных городов, предприятий воздух содержит хлор, сероводород, сернистый и
другие газы. Состав атмосферного воздуха более или менее постоянен, отмечаются
лишь незначительные колебания.
Состав почвенного воздуха: 78-80.% азота, 5-20% кислорода, 0,1 -15% углекислого
газа, в незначительном количестве метан, сероводород и другие.
Таким образом, почвенный воздух отличается от атмосферного меньшим содержанием
кислорода и большей концентрацией углекислого газа. В течение вегетационного
периода состав почвенного воздуха непрерывно меняется.
Количество и состав почвенного воздуха изменяется под влиянием двух основных
причин: протекающих в почве биологических процессов (обеднения кислородом и
обогащения углекислотой) и активности газообмена с атмосферным воздухом.
Основной причиной разницы в составе атмосферного и почвенного воздуха являются
биологические процессы, протекающие в почве (дыхание, брожение, гниение), при
которых происходит поглощение кислорода и выделение СО2, чем интенсивнее
биологические процессы в почве, тем больше она выделяет углекислоты. Чем больше
содержится органического вещества в почве, тем больше она выделяет СО2.
Например, целинная лесная почва характеризуется наибольшей биологической
активностью, наименьшая биологическая активность наблюдается у истощенной
старопахотной почвы. Внесение навоза способствует обогащению почвенного воздуха
СО2 и тем самым усиливает ассимиляцию растениями углекислоты, что благоприятно
действует на увеличение урожая культурных растений.
Когда в почве содержание углекислого газа выше 3-5%, а кислорода √ ниже 10%, то
наступает угнетение растений.
Сельскохозяйственные растения предъявляют высокие требования к молекулярному
кислороду в почве сразу после посева. Общеизвестна необходимость кислорода для
прорастания семян. Семена большинства культур, залитые надолго водой, очень
плохо прорастают, а появившиеся корешки загнивают. Многочисленные исследования
показывают, что корни растений отнимают кислород от растворимых в воде
окисленных соединений. В результате этого в почве начинают развиваться
восстановительные процессы и появляться вредные закисные соединения, чем резко
нарушается питание растений. Кислород необходим растению для важнейшего
жизненного процесса дыхания. Он является источником энергии, которая
затрачивается при поступлении воды и питательных веществ в клетку, для роста,
синтетических процессов. К недостатку кислорода в почве растения относятся
неодинаково: например, злаки легче мирятся с недостатком кислорода, чем бобовые.
Многие исследователи отмечают большую чувствительность к недостатку кислорода
картофеля, свеклы и меньшую чувствительность риса и гречихи. Горчица, лен не
могут расти на почве, лишенной доступа кислорода.
Велико значение кислорода и для развития полезных почвенных микроорганизмов.
Так, процесс нитрификации активно протекает только при свободном доступе
кислорода, в связи с этим он всегда активизируется при рыхлении почвы, когда
обеспечивается приток кислорода. Клубеньковые бактерии, живущие на корнях
бобовых растений, активно действуют и используют молекулярный азот только при
свободном доступе кислорода. Кислород необходим для группы микроорганизмов,
участвующих в питании культурных растений, многие микробы прикорневой зоны
являются аэробными организмами и требуют присутствия этого газа в почве.
Для жизни растений важное значение имеет углекислый газ. Он нужен для
образования органических веществ. Листья и зеленые части растений усваивают
углекислый газ из атмосферы. Опытами института физиологии растений Академии наук
доказана возможность использования для фотосинтеза углекислоты почвенного
воздуха, усваиваемой корнями растений. В почве углекислота накапливается главным
образом под влиянием деятельности микроорганизмов и корней растений. Содержание
углекислого газа в почве увеличивается при внесении органических удобрений,
создании благоприятного воздушного, теплового и водного режимов для аэробного
микробиологического процесса.
Высшие растения и микроорганизмы относятся к углекислоте, находящейся в почве,
по-разному. При концентрации СО2 в почвенном воздухе выше 1% некоторые
культурные растения проявляют признаки отравления, а микробы способны легко
переносить эту концентрацию. Аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии
приостанавливают свою жизнедеятельность только при содержании СО2 около 30%.
Деятельность почвенных микробов усиливается, и выделение углекислоты
увеличивается при внесении минеральных удобрений, содержащих калий, фосфор,
серу. Образованию СО2 содействует тепло, влажность около 40% полной влагоемкости
почвы, рыхление, одновременное внесение органических и минеральных удобрений.
Наибольшее количество углекислоты наблюдается в верхних слоях почвы, где много
корней, микроорганизмов и где активность их выше. На глубине 20-30 см количество
бактерий в 1 г почвы уменьшается в 3-10 раз. На глубине 1 м и более число
бактерий уменьшается еще больше. Однако концентрация СО2 в более глубоких
горизонтах нередко бывает избыточной. Это происходит потому, что в этих слоях
почвы газообмен значительно хуже.
Растение потребляет углекислоту прежде всего из приземного слоя воздуха, где
концентрация ее выше, так как запас пополняется за счет почвенной углекислоты. В
силу того, что растение использует углекислоту для фотосинтеза, возникает
недостаток СО2 в нижних слоях атмосферы. Выравнивание этого недостатка СО2,
проявляющегося днем (так как фотосинтез идет при солнечном свете), легко
осуществляется ночью, когда потребление растениями углекислоты прекращается.
В составе воздуха содержится до 78,08% свободного молекулярного азота в форме
газа. По данным профессора М. В. Федорова, в слое воздуха над каждым гектаром
почвы имеется около 80 тыс. т азота. Несмотря на такие огромные запасы, растения
нередко испытывают азотный голод. Это объясняется тем, что свободный
молекулярный азот в виде газа недоступен для многих растений. Особые
микроорганизмы связывают свободный азот который в виде солей накапливается в
почве и становятся доступным растениям.
Атмосферный азот связывается и при
помощи естественных электрических разрядов (молнии), при этом свободный азот
соединяется с кислородом и получается ангидрид N2О4, который в результате
взаимодействия с находящимися в воздухе каплями воды переходит в форму нитратной
и нитритной кислоты, затем вместе с дождевой водой поступает в почву и растение.
Состав почвенного воздуха непрерывно изменяется.
Количество воздуха может колебаться от 8-10 до 35-40% объема почвы.
Пористость аэрации √ часть порового пространства занятая воздухом.
Исследованиями установлено, что при степени аэрации в пределах 15-25% газообмен
в почве хороший, при 10- 15% -удовлетворительный и меньше 10%
-неудовлетворительный [5].
Для нормального развития растений необходимо следующее количество воздуха в
процентах от общего объема почвы: для зерновых- 10-14, корнеплодов, картофеля-
15-20, для трав болотных - 6-10, многолетних трав √ 17-21%.
Воздушные свойства почвы
К воздушным свойствам почвы относятся воздухоемкость и
воздухопроницаемость. Под воздухоемкостью понимается способность почвы содержать
в себе какое-то количество воздуха. Чем легче почвы по гранулометрическому
составу или чем она структурнее, тем больше в ней крупных некапиллярных пор,
свободных от воды, тем, следовательно, выше и воздухоемкость. Воздухоемкость
уменьшается с увеличением влажности, так как часть пор в этом случае занята
водой. Воздухопроницаемость - способность почвы проводить через себя воздух. Она
измеряется количеством воздуха, прошедшего в единицу времени через 1 см2 почвы
при толщине слоя 1 см, под определенным давлением.
Воздухопроницаемость зависит от гранулометрического состава и структуры, она
лучше в структурных почвах или и почвах легкого гранулометрического состава.
Почвенный воздух постоянно находится в состоянии обмена с атмосферой или, как
говорят, газообмена. Факторы газообмена. Почвенный воздух взаимодействует с
твердой и жидкой фазами почвы. Он может заполнять свободные от воды поры, быть
поглощенным коллоидными частицами и содержаться в почвенном растворе. Почвы,
которые имеют значительную порозность и обладают в то же время хорошей
воздухоемкостью и воздухопроницаемостью, легко обменивают почвенный воздух с
атмосферным.
Обновлению почвенного воздуха содействуют следующие факторы: 1) диффузия газов -
тепловое движение молекул в направлении убывания их концентрации; 2) колебание
атмосферного давления, приводящее к поступлению атмосферного воздуха в почву при
увеличении давления и к выделению почвенного воздуха при уменьшении; 3)
колебание температуры, когда при дневном нагревании почвенный воздух расширяется
и частично выходит из почвы, а ночью, охлаждаясь, сжимается, открывает доступ
атмосферному воздуху; 4) изменение влажности почвы при орошении и выпадении
дождей, когда воздух вытесняется водой и поступает в почву при поглощении влаги
корнями и испарении ее почвой; 5) ветер, благоприятствующий газообмену на полях,
не занятых растениями.
Наиболее благоприятно водно-воздушный режим складывается в структурных почвах,
где вода и воздух не мешают друг другу: вода заполняет капилляры внутри
структурных агрегатов, а воздух - крупные поры, между ними. Если почва
бесструктурная, наблюдается неблагоприятный воздушный режим, так как воздух
вытесняется водой, а часть его защемляется водными пробками. Из-за отсутствия
газообмена в таких порах увеличивается содержание СО2, а кислород расходуется
микроорганизмами и корнями растений, в результате наступает кислородное
голодание растений.
Меры регулирования водно-воздушного режима в разных природных условиях различны:
в районах с избыточным увлажнением они сводятся к борьбе с избытком влаги путем
мелиорации, в засушливых районах - к накоплению и сохранению влаги в оптимальных
количествах. Для улучшения водно-воздушного режима почвы необходимо создавать
прочную мелкокомковатую структуру обогащением почвы органическим веществом:
внесением навоза, торфа, выращиванием и запахиванием однолетних бобовых культур;
применением специальных приемов обработки почвы (глубокой вспашки плугом с
предплужником, с почвоуглубителем для устранения излишнего уплотнения там, где
для этого имеются условия, систематического рыхления почвы различными орудиями
для устранения оседания, заплывания почвы).
Тепловой режим почвы, приемы его регулирования
Значение тепла и теплового режима в жизни растений, почвы и микрофлоры велико.
Растения предъявляют к теплу неодинаковые требования. Семенам необходима
различная температура почвы для прорастания и дальнейшего развития. По данным
кафедры растениеводства Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.
Тимирязева, определены следующие температуры, при которых начинаются прорастание
семян и появление всходов (табл.1)
Т а б л и ц а 1 - Минимальные и
оптимальные температуры почвы для прорастания семян и появления всходов, 0╟G
| Культура |
Прорастание семян
|
Появление
всходов
|
| минимальное |
максимальное |
минимальное |
максимальное |
| Конопля, горчица, клевер, люцерна |
0-1 |
- |
2-3 | - |
| Рожь, пшеница, ячмень, овес, рапс,
чечевица, тимофеевка, вика, горох, чина |
1-2 |
25-30 |
4-5 | 6-12 |
| Лен, гречиха, люпин, бобы, свекла, нут |
3-4 |
25-30 |
6-7 | - |
| Подсолнечник, картофель |
5-6 |
31-37 |
8-9 | - |
| Кукуруза, просо, соя, кориандр, суданская
трава, могар |
8-10 |
37-45 |
10-11 | 15-18 |
| Фасоль, сорго, клещевина |
10-12 |
- |
12-13 | - |
|
Хлопчатник,
рис, арахис, кунжут |
12-14 |
37-45 |
14-15 | 18-22 |
Температура почвы оказывает большое влияние на рост корней: установлено, что при
относительно высоких температурах корни растут быстрее. Более развитая корневая
система лучше использует влагу, питательные вещества. При низкой температуре
весной в течение длительного времени наблюдаются ослабление синтетической
деятельности растений, ухудшение белкового обмена в результате задерживаются
рост и развитие растения. Отрицательные температуры во время вегетации растений,
как и положительные выше определенного предела неблагоприятны для растений.
Предел их различен для различных сортов растений. Выяснено, что благоприятное
повышение температуры почвы при вегетации кукурузы до 45 ╟С, ячменя - 25 ╟С,
пшеницы и гороха- 30╟С, картофеля-31 ╟С. Отрицательные, низкие температуры
губительны для всех однолетних растений, для многолетних - только в определенные
периоды. В почве имеется большое количество полезных микроорганизмов, поэтому
значительный интерес представляет их отношение к температуре окружающей среды.
Высокие и низкие температуры неодинаково переносятся микроорганизмами. Более
губительны для них высокие температуры. Бесспоровые бактерии и грибы погибают
при температуре 80-100╟С в течение нескольких минут, а при температуре 60╟С в
течение получаса. Низкие температуры вызывают прекращение деятельности
микроорганизмов, но не убивают их. Споры бактерий и грибов легко переносят
-190╟С и сохраняют способность к прорастанию после воздействия на них такой
температуры в течение нескольких недель и даже более полугода. Для
жизнедеятельности почвенных микроорганизмов благоприятны небольшие колебания
температуры почвы. Оптимальные условия для большинства микроорганизмов создаются
при температуре от 10 до 40 ╟С. Термофильные бактерии могут развиваться при
более высокой температуре - до 65-70 ╟С.
Таким образом, условия роста и развития сельскохозяйственных растений,
биологические процессы, происходящие в почве, во многом зависят от теплового
режима почвы, ее тепловых свойств и источников тепла.
Тепловой режим √ совокупность явлений поступления, аккумуляции и переноса
тепла в почве.
Источники тепла. Основным источником тепла для почвы является лучистая
энергия солнца. Приток солнечной энергии к почве меняется в широких пределах в
зависимости от времени суток и широты, а также от состояния атмосферы - ее
плотности, наличия тумана, облачности, пыли и т. п.
Другим менее значительным источником тепла в почве служит теплота, выделяемая
при разложении органических остатков микроорганизмами. Образование тепла здесь
обусловливается неполным использованием энергии окисления органических веществ
при синтетических процессах в клетке. На внутриклеточные процессы расходуется
15-50% общего количества превращенной микробами энергии, остальная часть ее
поступает в окружающее пространство в форме тепла. При разложении скоплений
органического материала обычными сапрофитами происходит повышение температуры до
40-50 ╟С. В этих условиях, появляются термофильные микроорганизмы, способные
повысить температуру до 60-70╟С. Все другие источники тепла для почвы (например,
энергия радиоактивного распада элементов, внутренняя теплота земного шара и
др.), имеют ничтожное значение на земной поверхности.
Расход тепла. Почва обладает свойством излучать тепло. Излучение зависит
от температуры почвы, ее влажности и характера поверхности. Высокой способностью
лучеиспускания отличается вода, поэтому все влажные почвы излучают тепла больше,
чем сухие. Излучение тепла поверхностью почвы ослабляется при наличии
растительности, снежного или другого покрова (мульчи, соломы, дымовой завесы).
Однако излучение деятельной поверхности (например, почвы вместе с растением или
со снегом) значительно больше, чем одной почвы. Снег излучает 99,5% от
лучеиспускательной способности абсолютно черного тела, почва с дерном - 98%,
вода - 96,5%, песок - 89%.
Другими потерями тепла поверхностью почвы являются: расход при испарении, отдача
тепла более холодному слою воздуха (сверх отражения и излучения),
соприкасающемуся с почвой (конвекционный путь), и уход тепла в более глубокие
слои почвы (молекулярная передача). При испарении из почвы воды расходуется
значительное количество тепла - по данным В. А. Михельсона, до 48% всего
теплооборота почвы. Теплоотдача конвекционным путем ослабляется, если почва
покрыта живой растительностью или мертвым покровом - снегом, соломой, мульчой.
Отдача почвой тепла соприкасающемуся с ней слою воздуха усиливается при
охлаждении воздуха и при гребнистой, глыбистой поверхности почвы.
Тепловые свойства почвы. Повышение температуры почвы и увеличение глубины
прогревания происходит в различных почвах неодинаково и зависит от тепловых
свойств: отражательной способности (альбедо), теплопроводности, теплоемкости.
Тепловые свойства почвы зависят прежде всего от соотношения в ней воды, воздуха
и твердой части, а также ее химического и гранулометрического состава, цвета,
степени затенения и других условий.
Отражательной способностью (альбедо) называется способность почвы
отражать лучистую энергию своей поверхностью. Она измеряется отношением
количества отраженной коротковолновой энергии (в процентах) к общему притоку
лучистой энергии на поверхность почвы. Почвы отражают от 15 до 45% энергии, и
величина альбедо колеблется в широких пределах. Отражательная способность
зависит от характера поверхности почвы (шероховатость уменьшает отражательную
способность), окраски (темные почвы уменьшают отражательную способность),
влажности (альбедо сухого чернозема равно 14%, влажного - 9%). Почвы темные,
влажные, с неровной поверхностью отражают значительно меньше лучей, чем почвы
светлые, имеющие плоскую поверхность. Наибольшей отражательной способностью
обладает снег. Одновременно с отражением солнечного тепла происходит поглощение
тепловой энергии (лучепоглощение). Лучепоглотительная способность определяется
по разнице между суммой радиации и альбедо.
Солнечная энергия поглощается почвой главным образом в виде коротких волн не
менее 1 мк. На величину поглощения оказывает влияние цвет почвы, форма
поверхности, степень затенения растениями, направление и степень склона,
влажность почвы. Чем меньше затенена почва растительностью, тем больше
способность лучепоглощения. Почва темной окраски, неровной поверхности
нагревается сильнее. Почвы южных склонов поглощают большое количество тепловой
энергии, поэтому весной быстрее просыхают и на них раньше начинаются полевые
работы.
Почва обладает свойством теплоемкости. Теплоемкостью почвы называют количество
тепла, которое необходимо для нагревания единицы массы или объема почвы (1 г или
1 см3) на 1╟С; величина теплоемкости выражается в калориях и зависит в основном
от содержания воды в почве, так как вода по сравнению с другими составными
частями почвы требует наибольшего количества тепла для повышения температуры на
1╟ С. Если теплоемкость воды принять за 100, то весовая теплоемкость песка
составит 19,6 (или в 5 раз меньше),глины √ 23,3, торфа √ 47,7. Наименьшую
теплоемкость имеет воздух √ 0,03, что в 3300 раз меньше теплоемкости воды [6].
Таким образом, при увеличении количества воды в почве теплоемкость последней
возрастает и для ее прогревания потребуется больше тепла. При уменьшении
влажности почвы и увеличении содержания в ней воздуха теплоемкость почвы
значительно уменьшается, и она будет нагреваться при меньшей затрате тепла.
Поэтому, глинистые влажные почвы медленно нагреваются и называются холодными.
Изменяя строение пахотного слоя, можно уменьшать или увеличивать теплоемкость
почвы.
Очень важным свойством почвы является теплопроводность. Теплопроводностью
называется способность почвы проводить тепло. Ее измеряют коэффициентом
теплопроводности, т.е количеством тепла в колориях, которое проходит за 1 с.
через площадь 1 см2 слоя почвы, толщиной 1 см при разнице температур на обеих
сторонах слоя 1╟С. Она зависит от соотношения физических фаз почвы.
Наименьшую теплопроводность имеют минеральные составные части почвы (0,004),
несколько меньшую- вода (0,0014) и значительно меньшую √ воздух (0,00005).
Поэтому теплопроводность почвы зависит от их содержания и соотношения.
Объясняется это тем, что теплопроводность воздуха в 28 раз меньше данного
показателя воды и в 80 раз √ твердой фазы. Поэтому теплопроводность сухой почвы
ниже, чем влажной, из-за большого содержания в ней воздуха. Так,
теплопроводность воздушного сухого суглинка 0,00033, а насыщенного водой
0,00210, т.е. в 6,5 раза меньше.
Ввиду этого уплотненные глинистые почвы, потерявшие некоторое количество влаги,
проводят температуру быстрее, чем более рыхлые и влажные. Обычно плотные почвы
днем быстрее нагреваются, а ночью скорее охлаждаются, чем рыхлые.
Методы регулирования теплового режима почвы
Учет прихода и расхода тепловой энергии в почве позволяет выяснить влияние
различных агротехнических мероприятий на тепловой режим почвы.
Суточные и годовые колебания температуры почвы. Как в течение суток, так
и за год наибольшее изменение теплового режима происходит в верхнем слое почвы.
Суточные колебания температуры в весенне-летний период достигают глубины 10-70
см, но значительно сглаживаются на глубине 20 см. Они неодинаковы в различных
зонах, на разных почвах. В рыхлом, нетеплопроводном торфе, например, суточные
колебания не ощущаются уже на глубине 20-25 см. Годовые колебания в зависимости
от широты и температуропроводности почвы достигают 5-30 м, где устанавливается
постоянная температура [24].
Зимой на глубине 60-100-150 см температура остается более -высокой, чем в слоях
почвы, расположенных выше. Летом оптимальные осадки и орошение поливной водой с
различными температурами могут нагревать и охлаждать поверхность почвы.
Изменение температуры почвы в течение суток летом имеет следующую
закономерность: температура верхнего слоя почвы всегда выше более нижних слоев,
причем в жаркую ясную погоду максимум на поверхности и минимум в более глубоких
слоях выражены наиболее резко, а в холодную и пасмурную погоду они сглажены. Чем
глубже .слой почвы, тем меньше разница. Обычно суточные колебания почвы на
глубине 0,5 м и ниже не ощущаются. Кроме того, чем выше температура почвы на
поверхности, тем резче она падает с глубиной, что имеет большое значение, в
частности для передвижения влаги в жидком и парообразном состоянии. На зимующие
в поле растения большое влияние оказывают промерзание и оттаивание почвы.
Глубина промерзания зависит от многих причин, прежде всего от толщины снежного
покрова, силы и продолжительности морозов. В северной части региона почва
промерзает до нескольких метров, и летом оттаивает только поверхностный слой -
от 30 до 200 см, ниже этого слоя почва остается всегда мерзлой (зона вечной
мерзлоты). В южных степных районах почва промерзает на глубину до 200 см.
Промерзание уменьшается, если на почве имеется снег.
Очень быстрое и глубокое промерзание почвы отрицательно влияет на перезимовку
озимых культурных растений, затрудняет проникновение в почву талых вод.
Снежный покров с момента появления до схода держится в степях - до 120 дней. В
отдельные годы в степи снежный покров почти отсутствует или бывает небольшим.
Высота снежного покрова на большей части таежной зоны составляет 50-70 см, в
лесостепной- 40-60 см, в степях- 10-30 см. В зоне тайги и подтайги, в связи с
увеличением снежного покрова, особенно там, где грунтовые теплые воды
расположены неглубоко, промерзание почвы и грунта происходит на меньшую глубину,
чем в степных и лесостепных районах.
Большое значение в развитии растений, их корневой системы, имеет температура
почвы. По обеспеченности зоны теплом, наступлению времени устойчивого
прогревания почвы можно определить возможность возделывания той или иной
культуры, обосновать оптимальные сроки посева [25].
Регулировать приток солнечной энергии к поверхности почвы довольно трудно, так
как основная масса тепла поступает в почву от солнца и является фактором
космическим, от нас не зависящим. Тем не менее человечество выработало немало
приемов воздействия на тепловой режим почвы. Наиболее широко распространенный √
обработка почвы. В результате рыхления и уплотнения почвы меняются ее
теплоемкость и теплопроводность, а тем самым нагревание ее или охлаждение.
Обработкой воздействуют на ход испарения из почвы: рыхлением или прикатыванием
изменяют почвенную поверхность, а следовательно, и степень поглощения, отражения
и излучения почвы. Плотная почва лучше прогревается, чем рыхлая.
Температуру почвы можно в широких пределах регулировать всякого рода
покрытиями: белыми, повышающими отражательную способность почвы и
понижающими ее температуру; черными, повышающими поглощение поверхностью
солнечной радиации и повышающими температуру верхних слоев почвы. Все подобные
покрытия называются мульчи, а приемы применения их - мульчированием.
Притенение поверхности. Этот прием основан на защите поверхности почвы от
нагревания прямыми солнечными лучами. Для этой цели могут служить различные
щиты, слой соломы. К таким мерам часто прибегают огородники для защиты
неокрепших всходов овощей [18].
Для уменьшения утечки тепла от действия ветра применяют щиты, посевы рядков
высокостебельных растений (кукурузы, подсолнечника и т. д.) - так называемые
кулисы. Их высевают, а щиты расставляют поперек господствующих ветров, в
результате резко замедляется скорость ветра, снижаются потери тепла на
теплообмен почвы с воздухом - утепляется почва.
Борьба с заморозками. Обычно применяют дымовые завесы путем сжигания
навоза, соломы, опилок или дымовых шашек. Дым защищает почву от теплового
лучеиспускания.
Снегозадержание. Мощный снежный покров значительно защищает почву от
охлаждения. Так, мороз-30 ╟С понижает температуру оголенной почвы до-20 ╟С, а
при снежном покрове высотой 30 см температура поверхности почвы может повышаться
до -4 ╟С. Это имеет огромное значение для перезимовки озимых, так как при
промерзании почвы и температуре ее ниже -10╟С растения гибнут. Благоприятные
условия для озимых зерновых в Сибири создаются при высоте снежного покрова от 40
до 100 см.
Кроме того, применяют замедление таяния снега его уплотнением и, наоборот,
ускорение таяния зачернением снега золой, землей, перегноем.
Полезащитное лесонасаждение улучшает температурный режим почвы тем, что
содействует накоплению снега, ослабляет зимой холодные ветры, а летом - горячие,
сухие. Зимой почва в лесу промерзает меньше, а летом остается прохладной.
Для быстрого прогревания почвы применяют гребневые и грядковые посевы. Гребни и
гряды прогреваются, разница в температуре достигает 5╟С на глубине 5 см.
Ослабление перегрева почвы достигается применением орошения, а повышение
температуры - поливами, более теплой водой.
В овощеводстве для повышения температуры почвы используется биотопливо - навоз,
мусор, листья, мох и т. д. Лучшим видом биотоплива считается конский навоз,
температура которого может доходить до 75 ╟С. При полном разложении 1 т навоза
выделяется до 3-4 млн. больших калорий тепла [6]. Указанные виды биотоплива
широко используются: для обогрева почвы в парниках, теплицах, рассадниках, кроме
этого в парниках и теплицах почву обогревают горячей водой, циркулирующей по
трубам.
|