Воздух. Как всякий живой организм, растение дышит, потребляя кислород и выделяя диоксид углерода. Во время дыхания в растении протекают окислительные реакции, в результате которых освобождается накопленная энергия для таких важных процессов, как рост, размножение и др. Дыхание противоположно фотосинтезу.
С первого момента жизнедеятельности растительный организм нуждается в кислороде воздуха. Так, семена, помещенные на дно сосуда и залитые водой, набухают, но не прорастают, поскольку зародыш не снабжается кислородом, однако как только семена станут соприкасаться с ним, они дружно прорастают. Надземная часть растения обеспечена кислородом лучше, подземная - хуже. Однако в практике земледелия иногда бывает, что растения гибнут от недостатка кислорода в приземном слое воздуха. Такие случаи наблюдаются в посевах озимых культур, когда выпадает большое количество снега на незамерзшую почву, а растения продолжают вегетировать. Под снегом они быстро расходуют кислород из воздуха, новые порции кислорода не поступают и растения задыхаются, в результате чего происходит так называемое выпревание озимых хлебов. То же самое получается при образовании толстой ледяной корки в посевах озимых.
Кислород воздуха нужен также для корневой системы. Различные растения неодинаково относятся к недостатку кислорода в почвенном воздухе.
Наиболее требовательные культуры в этом отношении - корне- и клубнеплоды, бобовые и масличные; менее чувствительны - зерновые, частично снабжающие корни кислородом воздуха через воздухоносные полости, находящиеся в стеблях. Особенно сильно эти полости развиты у риса и кукурузы.
В кислороде воздуха нуждаются и микроорганизмы, которые разлагают растительные остатки в почве, в результате чего накапливаются питательные вещества для растений. Кроме кислорода, некоторым микроорганизмам необходим также азот воздуха, который они превращают в органический азот.
При внесении органического вещества (навоз, торф, зеленые удобрения) количество диоксида углерода в пахотном слое почвы возрастает. Так, применение 20 т навоза на 1 га увеличивает содержание С02 в почве на 70-140 кг.
Газообмен в почве происходит постоянно, но его интенсивность зависит от многих факторов, один из главных - строение и структура почвы. Рыхло сложенные и хорошо оструктуренные почвы с большим количеством промежутков между комочками обладают хорошим газообменом. В заплывших бесструктурных почвах, покрытых коркой и сильно увлажненных, газообмен очень слабый. На газообмен влияют также диффузия газов, колебания атмосферного давления, температура, изменение влажности почвы, ветер, растительность.
Все агротехнические приемы, способствующие рыхлению пахотного слоя, улучшают газообмен почвы. Они способствуют более активной микробиологической деятельности и быстрейшей минерализации органического вещества, а следовательно, большему образованию и накоплению усвояемых питательных веществ. Создание водопрочной комковатой структуры почвы - важное условие улучшения ее воздушного режима.
Вода. Жизнедеятельность растений тесно связана с водой. Для набухания семян и перевода запаса сухих питательных веществ семени в усвояемую для зародыша форму различным растениям необходимо следующее количество воды (в % массы семян): просо, кукуруза - около 40; пшеница - 50; лен, горох - 100; сахарная свекла - 120; клевер - до 150.
Вода входит в состав самих растений, составляя значительную часть их массы: в семенах ее содержится 10-20%, в стеблях, где имеется много одревесневших мертвых клеток, - до 50, а в листьях, корнеплодах и клубнях - до 90-95%.
Растения в процессе роста и развития могут использовать раствор минеральных веществ почвы в очень небольшой концентрации. Для образования таких растворов требуется много воды. Поступающая вместе с питательными веществами влага в растениях используется не полностью. Установлено, что из 1000 частей воды, прошедшей через растение, только 1,5-2 части расходуются на питание, а остальная влага испаряется через листья.
Испарение воды листьями называется транспирацией. Этот процесс зависит от освещенности, температуры и влажности воздуха. В агрономии широко применяют и другой показатель расхода воды растением - транспирационный коэффициент - количество воды, затрачиваемое растением в процессе образования единицы сухого вещества.
Меньше всего транспирационный коэффициент у просовидных (хлебов второй группы) - около 250, несколько выше у хлебов первой группы - 500-600 и самый высокий у многолетних трав - 700-800.
Величина транспирационного коэффициента непостоянна и сильно изменяется под воздействием света, температуры, влажности почвы и воздуха, снабжения растения питательными веществами. По опытам Гельригеля, на прямом солнечном свету коэффициент транспирации у растений составлял 349, на сильном рассеянном свету - 483, среднем - 519 и слабом - 676.
Особенно сильно транспирационный коэффициент зависит от влажности воздуха. В засушливые годы у проса, пшеницы, овса, кукурузы он возрастает более чем в 2 раза по сравнению с влажными. В северных и западных районах нашей страны испарение воды растениями значительно меньше, чем в южных и восточных. Заметно снижают транспирационный коэффициент удобрения. Так, у овса при недостатке питательных элементов он составлял 483, а при достаточном их количестве - 372. Поэтому культуры, обеспеченные питательными веществами, более экономно используют воду, что имеет важное значение для районов засушливого земледелия.
Для расчета уровней возможных урожаев большое значение имеет коэффициент водопотребления (сумма транспирации и испарения с поверхности почвы), выражаемый в метрах кубических на 1 т урожая. В разные по увлажненности годы он изменяется для озимых зерновых культур от 375 до 550, для картофеля - от 170 до 660, для свеклы - от 240 до 400, для многолетних трав - от 500 до 750 м3/т.
Растения на отдельных этапах роста и развития предъявляют повышенные требования к воде. Для большинства колосовых культур критический период по отношению к влаге - время от выхода в трубку до колошения. У кукурузы наибольшая потребность в воде наблюдается в период цветения - молочной спелости, у подсолнечника - образования корзинки, у хлопчатника - цветения - формирования коробочек. При недостатке влаги в критические периоды растения ослабляют развитие и не дают хорошего урожая.
В последующие фазы растительному организму требуется меньше воды и он не так сильно реагирует на изменение водного режима почвы.
В воде нуждаются и почвенные микроорганизмы. Бактерии, фиксирующие атмосферный азот (Azotobacter, клубеньковые бактерии), начинают размножаться только при 25%-ной влажности почвы. При недостатке воды у бактерий снижается усвоение питательных веществ, а при чрезмерном увеличении влажности они испытывают кислородное голодание. Оптимальная влажность почвы для растений и бактерий одинакова и составляет 60% полной влагоемкости почвы.
Основной источник поступления воды в почву - осадки, а также влага, образуемая при конденсации водяных паров в результате перепада температур почвы и воздуха днем и ночью.
Влажность почвы влияет на степень сопротивления при ее обработке, способность крошиться, микробиологические и химические процессы, происходящие в ней. Поэтому одна из главнейших задач земледелия - регулирование водного режима почвы для создания оптимального соотношения воды и воздуха в ней.
Рыхлая и структурная почва впитывает значительно больше осадков, чем уплотненная и бесструктурная. Уплотнение почвы вызывает быстрое подтягивание влаги по капиллярам к поверхности и усиленное испарение воды. Потеря влаги при сухой и ветреной погоде на незаборонованной зяби за сутки может составить 50-70 т/га. Поэтому даже мелкое поверхностное рыхление резко сокращает испарение и сохраняет влагу.
Подвижность воды и ее доступность для растений зависят от свойств почвы и формы воды в ней. Влага в почве может находиться в парообразной, гигроскопической, капиллярной и гравитационной формах.
Парообразная влага (водяные пары), насыщая воздух, заполняет все почвенные пустоты И может служить при перепадах температуры источником подземной росы.
Гигроскопическая влага адсорбируется на поверхности частиц почвы и вследствие больших сил молекулярного притяжения недоступна для растений. Количество гигроскопической влаги зависит главным образом от гранулометрического (механического) состава почвы: чем мельче почвенные частицы (например, глина), тем больше суммарная их поверхность в единице объема и, следовательно, выше процент гигроскопической влаги, а также от количества органического вещества в почве.
Количество недоступной растениям влаги составляет примерно полуторную величину максимальной гигроскопичности. Это так называемый мертвый запас, или влажность устойчивого завядания.
В зависимости от гранулометрического состава почвы и содержания органического вещества мертвый запас влаги значительно меняется: в супесчаной почве он составляет 2-3%, в суглинистой - 5-6, в глинистой - 8-10, в перегнойно-песчаной и черноземной - 14-16 и в торфянистой - до 40-50% массы абсолютной сухой почвы.
Капиллярная влага размещается в узких промежутках (капиллярах) почвы и удерживается в них силой поверхностного натяжения пленки воды. Она может передвигаться в различных направлениях, скорость и расстояние передвижения зависят от диаметра капиллярных промежутков, структуры почвы. Эта вода легко доступна растениям.
На бесструктурных распыленных и плотных почвах вода поднимается по капиллярам наиболее высоко. Это приводит к быстрому иссушению всего пахотного слоя, особенно в южных районах. Поэтому рыхление верхнего слоя почвы и разрушение в ней капилляров значительно снижают испарение и способствуют сохранению влаги в почве. Однако иногда необходимо подтянуть влагу из нижних слоев к верхним, куда будут заделывать семена при посеве. Это особенно важно в сухое время года (например, при посеве осенью озимых культур в южных районах). В этом случае для уплотнения почвы, увеличения в ней количества капилляров и подтягивания по ним влаги из глубоких слоев к верхним (зоне посева семян) почву прикатывают.
Гравитационная влага заполняет все крупные некапиллярные промежутки между комочками почвы и, подчиняясь силе тяжести, передвигается только сверху вниз. Эта влага легко доступна растениям. Состояние, когда все капиллярные и некапиллярные промежутки почвы заполнены водой, называется наибольшей (полной) влагоемкостью почвы. Она может наблюдаться при неглубоком залегании грунтовых вод, на болотах, топях, при весеннем таянии снегов, длительных осенних дождях. В этих случаях в почве развиваются анаэробные процессы.
Для производственных целей важен также другой показатель - полевая влагоемкость почвы, то есть максимальное количество воды, которое почва длительное время может удерживать при отсутствии ее подтока и потерь на испарение. Этот показатель для каждой почвы представляет собой почти постоянную величину и играет большую роль в орошаемом земледелии при расчетах правильных норм полива.
Выпадение осадков на территории нашей страны как по количеству, так и по времени неравномерно. Это создает трудности и предопределяет особенности ведения сельскохозяйственного производства в каждой зоне.
Приемы регулирования водного режима. Для снабжения растений водой в максимально потребных количествах, накопления, сохранения и рационального использования влаги в засушливых районах, а также для устранения избыточного увлажнения в северо-западной зоне страны в земледелии разработаны различные комплексы агротехнических приемов.
Кроме правильной и своевременной обработки почвы, в засушливых районах широко используют снегозадержание, на склонах наряду с особыми приемами вспашки устраивают микролиманы для задержания талых вод и предотвращения эрозии почвы. Широкое распространение получили посадка полезащитных лесных полос, посев высокостебельных кулисных растений (кукуруза, подсолнечник, горчица, сорго), сохранение стерни на поверхности почвы.
Потери только талых вод за один год в районах неустойчивого и недостаточного увлажнения составляют 50-60 млрд т, а между тем каждые 100 т воды (или 10 мм осадков) могут дать дополнительно 100 кг зерна яровых и 200 кг - озимых культур с 1 га,
Орошение в засушливых районах - главнейшее средство увлажнения почвы и снабжения растений водой в течение всей вегетации и особенно в критические периоды роста и развития. Рациональное чередование культур с различной корневой системой в севообороте позволяет наиболее полно использовать влагу разных горизонтов почвы. Улучшение структуры почвы дает возможность предотвратить поверхностный сток воды и значительно уменьшить ее испарение. Применение удобрений уменьшает транспирационный коэффициент растений и позволяет более рационально использовать почвенную влагу.
Мульчирование почвы торфом, специальными пленками, соломенной резкой и другими материалами резко снижает испарение воды. Однако используют этот прием обычно на небольших площадях. Важное значение для сохранения влаги в почве имеет борьба с сорняками.
Возделывание новых засухоустойчивых сортов с низким транспирационным коэффициентом, быстро развивающих листовую поверхность и хорошо затеняющих почву, служит эффективным средством рационального использования влаги.
В зоне избыточного увлажнения часто наблюдается вымокание растений и снижение их урожайности из-за плохого газообмена почвы и развития анаэробных процессов. Сильное набухание глинистых почв при увлажнении и усадка их при подсыхании значительно уплотняют эти почвы и на их поверхности образуется корка. Поэтому здесь большое значение имеют осушение, дренаж, специальные приемы вспашки, гребневые посевы, применение органических, в том числе зеленых, удобрений для сохранения рыхлого пахотного слоя и поверхностная обработка почвы для уничтожения корки.