Почва как среда водоснабжения растений

Основная масса воды поступает в растение через корневую систему, то есть из почвы. Следовательно, количество доступной воды зависит от состояния и свойств почвы. Еще в 40-х годах прошлого века Н.А. Максимов указывал на то, что «Добывание растением воды из почвы представляется значительно более сложным и трудным, чем простое всасывание воды погруженными в какой-либо сосуд корнями. В почве мы имеем ряд сил, противодействующих этому всасыванию, которые могут быть обозначены общим именем водоудерживающих сил». По мнению Лархера (1978), помимо прямого, почва оказывает и косвенное влияние на водоснабжение растений, воздействуя на формирование корневой системы – глубину ее проникновения по почвенному профилю, степень ветвления, анатомическую структуру, особенно эпидермальной ткани.

Почва является довольно сложным естественноисторическим образованием, отличающимся от горной породы и продуктов ее выветривания своим особым, интегральным свойством – плодородием. Представление о почве как особом естественноисторическом образовании, возникшем под воздействием комплекса почвообразующих факторов, было создано В.В. Докучаевым – основоположником современного почвоведения. Процессы почвообразования происходят в поверхностной части земной коры. Эти процессы слагаются из: 1) разрушения горной породы, приводящего к накоплению растворимых солей и формированию материнской породы; 2) аккумуляции веществ в поверхностной частиматеринской породы, особенно органических соединений, в том числе гумусовых кислот; 3) беспрерывного синтеза и распада, накопления и выноса органических, органоминеральных и минеральных соединений. В результате формируется профиль почвы из разной по степени измельчения (механическому составу) минеральной фракции и разной по химическому составу органической фракции – гумуса. Глубина и направленность процессов почвообразования определяют типы почв со своеобразным строением и свойствами, в том числе и водными.

Почвенные фазы. Почва состоит из трех фаз: твердой, газообразной и жидкой.

Твердая фаза представлена минеральной и органической частями. Минеральная часть в значительной степени определяется материнской породой, а именно ее механическим составом, то есть соотношением различных механических элементов.

 

 

Таблица 2 – Классификация механических элементов пород и почв

 

Элемент	Диаметр, мм
Камни
Гравий	3-1
Песок	1-0,05
Пыль	0,05-0,001
Ил	0,001-0,0001
Коллоиды	< 0,0001

 

Механический состав пород и почв определяет их многие свойства и особенно водоудерживающую способность. А именно, чем больше тонких фракций в составе почвы, тем больше адсорбирующая поверхность и тем выше водоудерживающая способность.

Органическая часть почвы представлена гумусом (перегноем). Гумус – это сложный динамический комплекс органических соединений , состоящий из: 1) веществ индивидуальной природы (органические соединения, которые в процессе жизнедеятельности растений, микроорганизмов и почвенных животных и особенно после их смерти поступают в почву, претерпевая в ней различные превращения; 2) собственно гумусовых веществ (гумусовые кислоты – гуминовые, ульминовые, гиматомелановые, креновые, апокреновые). Гумусовые кислоты – это высоко молекулярные соединения. Им присущи физико-химические свойства, характерные для коллоидов. Гумусовые кислоты обладают высокой адсорбционной способностью, поэтому они в основном обуславливают поглотительную способность почв, в том числе и в отношении воды. Эти кислоты содержат функционально активные группы (NH₂, NH, COOH, CO, OH, OCH₃), с которыми молекулы воды электростатически взаимодействуют.

Газовая фаза – это почвенный воздух. Его состав отличается от атмосферного повышенным содержанием CO₂, NH₃, H₂S. Концентрация этих компонентов зависит от состава твердой фазы почвы, содержания воды и жизнедеятельности организмов, разлагающих органические вещества. Во-вторых, в почве меньше кислорода, по сравнению с атмосферой. Его содержание зависит от пористости почвы, которая определяется механическим составом, содержанием гумуса. Снижение уровня аэрации ухудшает рост корневой системы, задерживает корнеобразование и, тем самым, отрицательно сказывается на поглощении корнями воды.

Жидкая фаза – почвенный раствор, который характеризуется концентрацией ионов, величиной рН, буферностью, осмотическим давлением. Почвенный раствор активно влияет на водный режим растений. Концентрация этого раствора в значительной степени обуславливает его водный потенциал. Если он низок, то это усложняет поглощение корнями воды и вызывает ответную реакцию растений – они увеличивают осмотический потенциал клеток корня. В противном случае вода не будет поступать в корневую систему. Сильно кислая или щелочная реакция отрицательно сказывается на поглощении воды корнями, так как для их оптимальной деятельности требуется рН почвенного раствора, близкая к нейтральной реакции.

Поглотительная способность. Поглотительная способность почвы – это способность поглощать и удерживать молекулы, ионы, летки микроорганизмов, грубые суспензии. Поглотительная способность детально исследована в работах К.К. Гедройца. Она существенно влияет на состояние воды в почве, водоудерживающую способность, величину мертвого (недоступного для растения) запаса влаги.

Имеется несколько видов поглотительной способности: механическая, физическая, физико-химическая или обменная, химическая и биологическая. Для определения состояния воды в почве имеют значение физическое и физико-химическое поглощение. Физическое поглощение (молекулярное) связано с адсорбцией молекул (воды, газов) механическими частицами и органическими макромолекулами почвы. Чем выше степень измельчения минеральной части почвы, тем больше физическое поглощение. Так, глинистые почвы характеризуются высокой степенью поглощения. Физико-химическое поглощение определяется почвенным поглощающим комплексом (ППК). ППК – это высокодисперсная фракция почвы, содержащая алюмосиликатные, органические и органоминеральные соединения. ППК обеспечивает связывание ионов и влияет, главным образом, на насыщение твердой фазы почвы элементами минерального питания. Однако, почвенные коллоиды благодаря заряду их частиц обуславливают и связывание воды, играя существенную роль в водоудерживающей способности почв.

Фракционный состав почвенной влаги. В настоящее время выделяют следующие формы (фракции) почвенной влаги: химически связанную, сорбированную (прочно- и рыхлосвязанную), свободную, парообразную и твердую (неподвижную). Эти фракции различаются между собой прочностью связи, а следовательно, и доступностью для растений.

Химически связанная вода. Она подразделяется на конституционную и кристаллизационную. Первая входит в состав минералов. Она прочно связана и ее можно удалить только при температуре 200⁰С. Эта форма воды недоступна для растений. Кристаллизационная воды менее прочно связана. Она входит в состав гипса и других минералов. Ее можно удалить путем продолжительного прогревания при 100⁰С. Эта вода также недоступна для растений.

Сорбированная вода. Ее делят на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную). Эти виды воды расположены на поверхности почвенных частиц и удерживаются силами адсорбции. Гигроскопическая вода удерживается силой 1000 МПа и передвигается только после перехода в парообразное состояние. Удаляется из почвы при нагревании в течении шести часов при 105⁰С. Эта форма воды представляет собой водяные пары из воздуха, поглощенные твердой фазой почвы. Максимальное содержание гигроскопической влаги в почве наблюдается при 100% относительной влажности воздуха. Адсорбированный на поверхности почвенных частиц слой гигроскопической влаги теряет свою подвижность и сильно уплотняется. Такая вода становится более вязкой и не замерзает при -70-78⁰С, не обладает теплопроводностью. Эта форма воды недоступна для растений. Пленочная вода – это парообразная вода, сконденсированная на поверхности почвенных частиц. Она дает начало образованию водной пленки. Часть пленочной воды – это водные оболочки коллоидных частиц. Здесь связь воды более прочная, чем с грубо дисперсными системами. Пленочная вода как и гигроскопическая не передвигается в почве под действием силы тяжести, а может переходить с одной частицы на другую. Пленочная вода частично доступна для растений. Хотя она имеет высокую вязкость, но частично электропроводна, в ней растворяется некоторое количество электролитов. Н.А. Максимов считал, что растения с трудом усваивают пленочную воду.

Свободная вода. Эта форма воды доступна для растений. Она включает капиллярную и гравитационную воду. Капиллярная вода расположена в капиллярах почвы в виде вогнутых менисков, где поверхностное давление меньше нормального, т.е. меньше давления над плоской поверхностью. В результате в капиллярах почвы идет поднятие воды выше уровня грунтовых вод. С увеличением дисперсности почвенных частиц капилляры утончаются, и это обуславливает более значительную высоту поднятия грунтовой воды. максимально возможная высота поднятия капиллярной воды 5-6 м (в глинистых почвах). Гравитационная вода содержится в некапиллярных пространствах, заполняя поры после дождя, полива, таяния снега. Она легко стекает вниз. Задерживается только водоупорным слоем.

Парообразная влага представлена в почве в виде водяного пара, передвигающегося по градиенту абсолютной упругости. Может также пассивно передвигаться с током воздуха. Эта форма воды имеет некоторое значение в водоснабжении растений. При определенной температуре и давлении она может конденсироваться и дополнять в содержание в почве свободной или пленчатой воды.

Твердая влага. Она присутствует в почве при снижении температуры до 0⁰С и ниже. Эта форма воды неподвижна и недоступна для растений, но является резервом доступной влаги, которая возникает после таяния льда.