Растениеводство

Диапазон оптимальной влагообеспеченности полевых культур

Урожайность сельскохозяйственных культур главным образом зависит от режима влагообеспеченности растений в течение вегетации. Для реализации потенциальной продуктивности растений влажность почвы в течение вегетации должна быть в диапазоне от 100 до 60 % предельной полевой влагоемкости.

Предельная полевая влагоемкость (ППВ) — это максимальная влажность подвешенной почвы или максимальное количество воды, которое почва способна удержать после стекания гравитационной воды (влажность, при которой все поры почвы заняты водой, называется полной влагоемкостью). Почву в этом состоянии высушивают и определяют процент воды к абсолютно сухой почве. Это значение влажности и будет равно 100 % ППВ. Оно в большой степени зависит от гранулометрического состава и гумусированности почвы. Для среднесуглинистых почв (с содержанием гумуса около 2 %) 100 % ППВ бывает около 25…26 % на абсолютно сухую почву. Для супесчаных слабогумусированных почв этот показатель снижается до 22…24 %, а для тяжелых суглинков (с содержанием гумуса 4…5 %) увеличивается до 30…34 %. У оторфованных почв 100 % ППВ еще выше. Синоним ППВ — наименьшая влагоемкость (НВ) менее удачен, так как влажность устойчивого завядания меньше НВ, кроме того, есть еще несколько понятий влажности почвы, которые меньше наименьшей влагоемкости, поэтому наибольшую влажность подвешенной почвы, или почвы пахотного слоя, не подстилаемого глеевым горизонтом, нелогично называть наименьшей.

Для того чтобы в любой период вегетации определить влажность почвы в процентах ППВ, необходимо знать, какой влажности соответствуют 100 % ППВ и какова влажность почвы на абсолютно сухое вещество в данный момент. Например, 100 % ППВ соответствуют 27 % влажности на абсолютно сухую почву, а влажность почвы во время анализа составила 16,2%, т.е. она равна 60 % ППВ. При влажности, равной 100 % ППВ, капилляры почвы заполнены водой и соединены, крупные поры, которые составляют более половины всех пор почвы, заняты воздухом. Корни растений при этом не испытывают кислородной недостаточности. Корневой волосок, нашедший капилляр, может брать из него воду в течение всего периода его жизни — 5…20 дней в зависимости от генотипа вида и сорта. Влажность выше 100 % ППВ избыточна, так как воздух вытесняется водой и корни испытывают кислородную недостаточность. Следовательно, 100 % ППВ можно назвать верхним пределом оптимальной влажности почвы.

По мере испарения воды с поверхности почвы и использования ее вегетирующими растениями влажность пахотного слоя почвы постоянно снижается, и на определенном этапе единая водно-капиллярная система разрушается, капилляры почвы разрываются. Это состояние почвы по влажности называют влажностью разрыва капилляров (ВРК). У большинства почв она наступает при снижении влажности до 60 % ППВ, на легких слабогумусированных почвах —при 63…65, а на связных и высокогумусированных— при 55…58 % ППВ.

Когда влажность почвы опускается ниже влажности разрыва капилляров, корневой волосок, нашедший обрывок капилляра, быстро исчерпывает из него воду и отмирает. Продолжительность функционирования корневого волоска сокращается с 10…15 до 4…3 сут или даже нескольких часов. Растение вынуждено образовывать все новые и новые корневые волоски для поиска новых обрывков капилляров с водой.

Длина одного корневого волоска в среднем составляет около 1 мм, у мятликовых культур — 1,5 мм. Подсчитано, что на 1 мм2 участка растущей зоны корня кукурузы находится около 1900 корневых волосков. Общая длина корневых волосков одного растения достигает 3…4 км, а у тыквы — 25 км. В посеве пшеницы на 1 га всасывающая поверхность корней составляет 100 тыс. м2. При недостатке влаги эта огромная всасывающая поверхность сменяется тем быстрее, чем глубже водный стресс.

Вероятно, именно из-за периодического недостатка влаги в почве в сухостепной зоне образовался мощный гумусовый слой. Здесь растительный покров сотни тысяч или миллионы лет работает на поиск обрывков капилляров с водой и абсолютно большая часть фотоассимилятов направляется в почву (рис. 2). Следовательно, влажность разрыва капилляров — нижний предел оптимальной влажности почвы.

Корневая система бобовых культур при различной влажности пахотного слоя почвы
Рис. 2. Корневая система бобовых культур при различной влажности пахотного слоя почвы:
а — влажность ниже влажности разрыва капилляров (ВРК) (прерывистыми линиями показаны разорванные капилляры); б — влажность выше ВРК

При влажности почвы 50…45 % ППВ растение тургоресцентно и внешне не обнаруживает признаков водного стресса, однако большая часть фотоассимилятов идет на образование все новых мелких корешков и корневых волосков, уменьшается накопление надземной массы вегетативных и генеративных органов. При дальнейшем снижении влажности почвы до 35…25 % ППВ накопление надземной массы почти прекращается, все ассимиляты направляются на рост мелких корней для поиска воды.

Особенно большой ущерб наносит снижение влажности почвы ниже ВРК бобовым культурам, под которые не вносят азотные удобрения. На симбиотическую фиксацию азота воздуха растения затрачивают много углеводов. При низкой влажности почвы необходимость формирования мелких корешков отвлекает углеводы от клубеньков, и изза недостатка энергии симбиотическая фиксация азота воздуха сначала снижается, а потом прекращается совсем. Начинается отмирание клубеньков. В Средней Азии при нарушении режима орошения на корнях сои клубеньки не образуются; в Ставропольском крае люцерна без орошения по этой же причине не вступает в симбиоз с ризобиями; в Башкортостане, Нижнем Поволжье горох на больших площадях также не образует клубеньков в течение вегетации. В результате бобовые растения испытывают не только водный стресс, но и острый недостаток азотного питания. После восстановления влажности почвы за счет осадков или орошения старые клубеньки не восстанавливаются, а по периферии корневой системы образуются новые мелкие клубеньки, фиксирующие азот. Однако растения в течение определенного периода, продолжительность которого зависит от длительности водного стресса, испытывают и водный, и азотный дефицит, из-за этого неизбежно снижается их продуктивность.

Культуры автотрофного типа питания азотом легче переносят временное снижение влажности почвы ниже ВРК, поскольку с восстановлением ее они сразу используют минеральные формы азота, внесенные в виде азотных удобрений.

Следовательно, для реализации потенциальной продуктивности растений влажность почвы в течение вегетации должна быть в диапазоне от 100 % ППВ до влажности разрыва капилляров. ВРК является предполивным порогом влажности почвы.

Разные виды культурных растений по-разному переносят временный недостаток влаги. Это определяется степенью развития их корневой системы. Например, общая длина корней одного растения ржи, выращенного в теплице, составила 623 км, а общая площадь их поверхности — 639 м2, т. е. в 130 раз больше поверхности надземных органов. Суммарный прирост всех корней за одни сутки равнялся примерно 5 км, а прирост одного корешка — от 2 до 6,5 см, причем эти корни были расположены в объеме почвы всего около 6 л. У водных и водно-болотных растений корневых волосков нет.

Отмечена видовая специфичность бобовых культур по отношению к недостатку влаги. Например, при периодическом снижении влажности почвы до 50 % ППВ активный симбиотический потенциал (АСП) гороха составил 15 % максимального значения, люпина желтого — 60, а эспарцета — 75 %. Это объясняется тем, что корневые системы эспарцета и люпина желтого уходят глубже и способны поднимать воду из недоступных для других культур горизонтов.

Избыточное увлажнение (свыше 100 % ППВ) легче переносит симбиотический аппарат клевера гибридного и хуже — эспарцета. Для люцерны уровень грунтовых вод выше 1 м отрицательно сказывается на величине и активности симбиотического аппарата.

Центральный район Нечерноземья относится к зоне достаточного увлажнения, поскольку среднемноголетнее годовое количество осадков равно количеству воды, испаряющейся с водной поверхности. Однако за последние 30 лет только 10 лет были удовлетворительными по влагообеспеченности, когда при прочих благоприятных условиях бобовые культуры формировали большой активный симбиотический аппарат. В остальные годы клубеньки появлялись с запозданием из-за сухой весны или рано отмирали из-за снижения влажности почвы в июне, азотфиксация была ослаблена, урожай при этом резко снижался (табл. 5).

Урожайность бобовых культур, т/га, в зависимости от влагообеспеченности
5. Урожайность бобовых культур, т/га, в зависимости от влагообеспеченности (фон — достаточная обеспеченность Р, К, В, Мо; инокуляция, рНсол 6,5…6,8)

На дерново-подзолистых и подзолистых почвах Нечерноземной зоны до 90…95 % корней растений находится в плодородном пахотном слое, поэтому при орошении достаточно, чтобы промачивался только данный слой. При этом снижается расход воды, исключается возможность вымывания питательных веществ из пахотного слоя, обеспечивается получение максимального урожая на единицу поливной воды и минеральных удобрений. Однако при снижении влажности пахотного слоя до ВРК поливать приходится чаще.

Поскольку влажность почвы — процесс динамичный, изменяющийся ежечасно, то, называя оптимальную влажность почвы для какой-то культуры, можно говорить только о диапазоне влажности или о предполивном пороге влажности.