Факторы жизни растений

Факторы жизни растений — условия внешней среды, необходимые для роста и развития растений. К факторам жизни растений относятся свет, воздух, вода, тепло и питательные вещества. Оптимальное соотношение перечисленных факторов позволяет полностью удовлетворить потребности растений, что обеспечивает хороший рост, развитие и плодоношение. Несоответствие условий потребностям может приводить к задержке в росте и гибели растений.

Классификация

Факторы жизни растений делят на:

земные, то есть получаемые из почвы и атмосферы — вода, воздух, питательные вещества;
космические, то есть получаемые за счёт солнечной энергии — свет, тепло.

Световой режим

Световой режим — совокупность процессов поглощения и превращения растениями световой энергии.

Закономерности светового режима

Количество солнечной энергии, получаемой растениями, зависит от продолжительности светового дня, от широты местности, экспозиции склонов, погодных условий и запылённости атмосферы.

Световой режим тесно связан с коэффициентом использования растениями физиологически активной радиации (ФАР), фотопериодизмом и эффективностью фотосинтеза. Суточный цикл фотосинтетической активности напрямую связан с интенсивностью поступления солнечного света: начинается в утренние часы, нарастает к 12-14 часам дня и, затем, ослабевает. В тёмное время суток фотосинтез не происходит.

Регулирование светового режима

Регулирование светового режима тесно связано с регулированием теплового режима почвы и может быть направлено на увеличение, например в северных регионах, или на уменьшение в южных.

Регулирование светового режима сельскохозяйственных растений осуществляют агротехническими приёмами, которые направлены на увеличение использования физиологически активной радиации в 2 раза:

Норма высева — влияет на густоту стеблестоя, и следовательно, доступность световой энергии растениям.
Направление посева по сторонам света.
Способ посева, например, более равномерное распределение растений по площади позволяет оптимально обеспечить их светом.
Место посева, например, размещение светолюбивых культур на южных склонах.
Сроки посева, например, ранний срок посева, как правило, позволяет усилить фотосинтетическую деятельность и повысить урожай.
Борьба с сорной растительность.
Смешанные посевы теневыносливых и светолюбивых растений позволяют обеспечить более эффективное использование солнечной энергии в расчёте на единицу площади почвы.

Использование промежуточных посевов озимых, поукосных, пожнивных и подсевных культур после уборки основной культуры позволяет получать дополнительные урожаи зерна или зелёной массы с той же площади, что помимо прочих выгод, позволяет дополнительно использовать световую энергию.

Перспективным направлением сельскохозяйственной науки является выведение сортов с более высоким коэффициентом использования солнечной энергии.

Водный режим почв

Водный режим почв — совокупность почвенных процессов поступления, перемещения, сохранения и расхода воды. В почве она находится в жидкой фазе в виде почвенного раствора, в состоянии межфазного равновесия с почвой, обмениваясь с ней минеральными веществами. Часть почвенной влаги теряется, просачиваясь в более глубокие слои, либо за счёт испарения или стока с поверхности. Оставшаяся влага удерживается почвой и представляет собой почвенный раствор.

Водный режим почв формируется под влиянием ряда факторов: климата, рельефа, водно-физических свойств почвогрунтов, условий водного питания, а также хозяйственной деятельности человека.

Виды почвенной воды

Категории почвенной воды и почвенно-гидролитические константы — Категории (формы) почвенной воды и почвенно-гидролитические константы (по Роде)

Почвенная влага в зависимости от характера взаимосвязей между молекулами воды, твёрдой и газовой фазами обладает разной подвижностью и свойствами. Почвенная влага подразделяется:

по физическому состоянию на: твёрдую, жидкую, парообразную;
по степени подвижности воды и характеру связи с твёрдой фазой на: химически связанную, твёрдую, гигроскопическая (прочносвязанную), парообразную, рыхлосвязанную (капиллярная и гравитационная).

Химически связанная вода

Химически связанная вода включена в состав твёрдой фазы почвы (химически связана). Состоит из конституционной (гидратной) и кристаллизационной (кристаллогидратной) воды. Недоступна растениям, неподвижна в почве, не растворяет минеральные вещества.

Твёрдая вода

Твёрдая вода — вода в форме льда. Образуется при промерзании почвы в осенне-зимний период (сезонное промерзание) или находится постоянно на определенной глубине, не оттаивая в летний период, в промерзшей толще почвогрунта (вечная, многолетняя мерзлота). При оттаивании, представляет собой потенциальный запас жидкой и парообразной воды.

Твёрдая вода недоступна растениям, неподвижна.

Парообразная вода

Парообразная вода — пары воды, находящиеся в почвенном воздухе и достигающая иногда 100%. Подвижна, перемещается из мест с большим давлением водяного пара в места с пониженным давлением и с потоками воздуха.

Имеет незначительное влияние на влагообеспеченность растений, практически недоступна растениям. В уплотнённых посевах, за счёт оттягивания парообразной воды корневой системой растений из прикорневых пустот, играет заметную роль.

С понижением температуры и достижением точки росы, конденсирует, переходя в доступной для растений жидкую форму.

Гигроскопическая (прочносвязанная) вода

Гигроскопическая (прочносвязанная) вода — одна из форм физически связанной, или сорбированной воды. Удерживается твёрдой фазой почвы, преимущественно коллоидными частицами за счёт сорбционных сил. Она образует тонкий слой водной плёнки толщиной 1-3 молекулы вокруг почвенных частиц. Сорбционные силы возникают в результате того, что часть молекулу воды (со стороны атома кислорода) заряжена отрицательно, тогда как другая (со стороны атомов водорода) — положительно. Такая форма заряда называется диполем. Молекулы воды благодаря строгой ориентации диполей притягивается к почвенным частицам и удерживаются ими.

Температура замерзания гигроскопической воды составляет -4…-7 °С, она не растворяет растворимые в воде вещества, имеет плотностью 1,5-1,8 г/см³ и более высокую вязкость.

Недоступна растениям.

Максимальная гигроскопичность (МГ) — количество воды, которое почва может поглотить и удерживать, при помещении её в насыщенную до 96-98% водяными парами атмосферу. Величина максимальной гигроскопичности позволяет определять обеспеченность растений водой. Как правило, величина, равная 1,5-2 кратному превышению максимальной гигроскопичности соответствует влажности устойчивого завядания растений, или, так называемому, «мёртвому запасу» воды в почве. Она учитывается в расчётах норм полива и продуктивных запасах влаги. Для расчёта влажности устойчивого завядания растений по величине максимальной гигроскопичности используют коэффициент 1,34.

Мёртвый запас влаги прямо пропорционален содержанию в почве иловатых (коллоидных) частиц и органических веществ (гумуса). Так, песчаная почва, бедная органическим веществом, содержит только 1% влаги, недоступной растениям, а тяжёлые суглинистые и глинистые почвы, богатые гумусом, — до 15% такой влаги. В торфяных почвах мёртвый запас может достигать 20-50%.

Количество гигроскопической влаги напрямую зависит от гранулометрического (механического) состава почвы и содержания органического вещества. Чем больше удельная поверхность почвенных частиц (то есть чем меньше их размер), тем выше гигроскопической влаги может быть накоплено почвой.

Рыхлосвязанная (плёночная) вода

Рыхлосвязанная вода — вторая форма физически связанной (сорбционной) воды, также называемая плёночной водой. Образуется благодаря дополнительной сорбции молекул воды к коллоидным частицам почвы. В отличие от гигроскопической (прочносвязанной) воды, образующейся в атмосфере насыщенных водяных паров, рыхлосвязанная вода сорбируется коллоидными частицами из жидкой фазы, за счёт сорбционных сил, достаточных для её удержания.

Рыхлосвязанная вода малоподвижна и малодоступна растениям.

Капиллярная вода

Капиллярная вода — вода, находящаяся в капельно-жидком состоянии в капиллярах почвы и удерживаемая капиллярными силами.

Подразделяется на капиллярно-подвешенную, то есть поступившую в почву из верхних слоёв за счёт осадков или оросительных вод, и капиллярно-подпёртую, поднимающуюся под действием капиллярных сил от грунтовых вод. Между слоями, увлажнённых за счёт капиллярно-подвешенной и капиллярно-подпертой воды, находится промежуток сухой почвы, называемый капиллярной каймой.

Капиллярные (менисковые) силы, удерживающие влагу и вызывающие подъём грунтовых вод зависят от толщины капилляров. Чем меньше их толщина, тем больше сила и, соответственно, высота подъёма воды. По этой причине на бесструктурных и плотных почвах пахотный слой быстро иссушается, особенно в южных районах. Разрушение капилляров в верхнем слое почвы с помощью рыхления существенно снижает испарение влаги. При диаметре менее 8 мм капиллярные силы не значительны.

Эффект, создаваемый капиллярными силами используют и в обратном направлении. При необходимости подтянуть влагу из нижних слоёв, например, при посеве семян, особенно в сухой период или засушливых местах, прибегают к уплотнению почвы прикатыванием.

Наименьшая влагоёмкость почвы (НВ) — количество капиллярно-подвешенной воды, которая удерживается почвой после стекания избытка жидкой воды. Оптимальная для роста и развития растений влажность почвы составляет 70-100% наименьшей влагоёмкости.

Дефицит влаги — разность между значением наименьшей влагоёмкости и фактической влажностью почвы, широко используется в земледелии.

Гравитационная вода

Гравитационная вода — несвязанная с почвой жидкая фаза воды, занимающая крупные некапиллярные пустоты между агрегатами почвы. Свободно передвигается за счёт силы тяжести (гравитации). Вытесняет воздух из пустот почвы, негативно влияя на воздушный режим, создавая анаэробные условия.

Полная влагоёмкость (ПВ) — максимально возможное количество гравитационной воды, вмещаемое почвой при заполнении всех пустот.

Величина полной влагоёмкости почти равна порозности (скважности) почвы и составляет от 20-40 до 50-60%, иногда достигает 80%.

Гравитационная вода легко доступна растениям. В естественных условиях возникает при неглубоком залегании грунтовых вод, при подтоплении участков, болотах, топях, затяжных осадках, при весеннем таянии снегов.

Показатели водного режима почв

Способность почвы к стабильному обеспечению водного режима определяется её водными свойствами: водоудерживающей способностью, влагоёмкостью, водопроницаемостью, водоподъёмной способностью, потенциалом почвенной воды, сосущей силой почвы.

Водоудерживающая способность

Водоудерживающая способность — способность почвы поглощать и удерживать воду в профиле, препятствуя её стеканию под действием силы тяжести. Количественно оценивается влагоёмкостью почвы.

Возникает преимущественно за счёт сорбционных и капиллярных сил.

Влагоёмкость

Влагоёмкость почвы — максимальное количество воды, которое удерживается почвой.

Полевая влагоёмкость (ПВ), или наименьшая влагоёмкость (НВ), почвы — максимальное количество почвенной воды, которое может удерживаться почвой длительное время без подтока и её потерь от испарения. Характерна для каждой почвы и является почти постоянной величиной, имеет важное значение в производственной деятельности, особенно в орошаемом земледелии при расчёте норм полива.

При уровне наименьшей влагоёмкости почва содержит максимальное количество влаги, доступной для растений, при этом 60-80% пор почвы наполнены водой.

Глинистые и богатые гумусом почвы характеризуются высокой влагоёмкостью и низкой водопроницаемостью и более высоким мёртвым запасом влаги. Песчаные и бедные гумусом, наоборот, — небольшой влагоёмкостью и высокой водопроницаемостью.

Водопроницаемость

Водопроницаемость почвы — способность почвы впитывать и пропускать через свой профиль воду, поступающую с поверхности. Зависит от плотности, гранулометрического состава, структуры почвы и степени увлажнения.

Водоподъёмная способность

Водоподъёмная способность — свойство почвы создавать подъём воды за счёт капиллярных сил.

Влажность устойчивого увядания

Влажность устойчивого увядания растений, или мёртвый запас, — количество недоступной для растения влаги. Определяется полуторной величиной максимальной гигроскопичности. Как правило, для расчёта используют коэффициент 1,34.

Величина влажности устойчивого увядания зависит от содержания органического вещества и гранулометрического состава почвы и сильно варьирует по типам почв: в супесчаных почвах она составляет 2-3%, в суглинистых — 5-6, в глинистых — 8-10, в перегнойно-песчаных и чернозёмных — 14-16, в торфянистых — до 40-50% массы абсолютной сухой почвы.

Увядание растений наступает вследствие недостатка влаги в почве, так называемая почвенная засуха, или из-за усиленного испарения влаги из-за большой сухости и высокой температуры воздуха (атмосферная засуха).

Водный баланс

Источниками поступления воды в почву являются осадки, грунтовые воды, поднимающиеся за счёт капиллярных сил, конденсация водяных паров от суточных колебаний температуры, оросительные воды.

Водный баланс почв — количество воды, поступившей в почву и её расход.

Уравнение водного баланса почвы:

$${B_0 + B_{ос} + B_{ор} + B_г + B_к + B_{пр} + B_б = B_{па} + B_Т + B_И + B_{пс} + B_{бс} + B_n,}$$

где B₀ — исходный запас воды в почве;
B_ос — сумма атмосферных осадков за конкретный период;
B_ор — количество воды, поступившей с оросительными водами (при орошении);
B_г — количество воды, поступившей в почву с грунтовыми водами;
B_к — количество воды, поступившей в почву за счёт конденсации атмосферной влаги;
B_пр — количество воды, поступившей в почву за счёт притока по поверхности;
B_б — количество воды, поступившей в почву от внутрипочвенного бокового притока;
B_па — количество воды, испарившейся с поверхности почвы за конкретный период;
B_Т — десукция, количество воды, израсходованной на испарение влаги растениями (транспирацию);
B_И — количество воды, потерянной за счёт инфильтрации в более глубокие слои почвы;
B_пс — количество воды, потерянной за счёт поверхностного стока;
B_бс — количество воды, потерянной за счёт бокового внутрипочвенного стока;
B_n — конечный запас воды в почве.

Запасы воды в почве B (в м³/га или в мм водяного слоя) рассчитывается по уравнению:

$${B = ad_vh,}$$

где a — полевая влажность, %; d_v — плотность почвы, г/см³; h — глубина слоя почвы, см.

Типы водных режимов почв

Схема водного баланса при промывном, непромывном и выпотном типах водного режима — Схема водного баланса при промывном (А), непромывном (F) и выпотном (В) типах водного режима (по Роде):

1 — испарение с растительной поверхности, 2 — поверхностный сток, 3 — испарение с поверхности почвы, 4 — внутрипочвенный сток, 5 — деструкция.

Согласно классификации Высоцкого-Роде в зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков и интенсивности их испарения выделяют шесть типов водных режимов почв:

мерзлотный;
промывной;
периодически промывной;
непромывной;
выпотной;
ирригационный.

Мерзлотный тип

Мерзлотный тип водного режима характерен для районов вечной мерзлоты. Слой вечной мерзлоты служит водоупором, что обуславливает переувлажнение верхнего слоя почвы, оттаивающего в период тёплого сезона. По этой причине происходит оглеение почв, и поэтому тундровые почвы оглеены.

Промывной тип

Промывной тип водного режима характерен для районов с преобладанием осадков, выпадающих в течение года, над испарением. В результате избытка влаги формируется нисходящий ток воды. Встречается в таежно-лесной зоне, полесье, влажных субтропиках и тропиках. В годовом цикле влагооборота во влажные периоды, преимущественно весной и осенью, наблюдается сквозное промывание почв и материнских горных пород вплоть до грунтовых вод. Такой интенсивный ток воды приводит к выносу продуктов почвообразования вглубь за пределы профиля почвы и образование почв подзолистого типа почвообразования.

Периодически промывной тип

Периодически промывной тип характерен для районов с примерно равными количествами воды, выпадающей в виде осадков и испаряющейся в течение года. Чередование сухих и влажных лет обуславливает чередование непромывного и промывного типов водного режима. Причём последний может происходить один раз в 10 и более лет. Такой тип водного режима способствует формированию серых лесных почв, выщелоченных и оподзоленных чернозёмов лесостепной зоны.

Непромывной тип

Непромывной тип водного режима характерен для районов, где годовая сумма осадков меньше, чем испарения, при этом вода не достигает грунтовых вод. Промачивание толщи почвогрунта в чернозёмной степи достигает 4 м, в бурых и серо-бурых почвах полупустынь и пустынь — 1 м. Между грунтовыми водами и верхним увлажнённым слоём расположен слой с влажностью, примерно равный величине влажности увядания.

Выпотной тип

Выпотной тип водного режима характерен для местности с непромывным типом и близким залеганием грунтовых вод. При этом происходит интенсивный подъём влаги по капиллярам от грунтовых вод к поверхности и её испарение, особенно в зоне полупустынь и пустынь. При большом содержании в грунтовых водах минеральных веществ, формируются засоленные, прежде всего солончаковые и солонцеватые почвы.

Ирригационный тип

Ирригационный тип характерен для территорий с искусственным орошением земель. В течение года водный режим почв может меняться от промывного до непромывного, и даже выпотного в зависимости от интенсивности и сроков орошения.

Регулирования водного режима почв

Оптимальная влажность в корнеобитаемом слое на разных этапах развития большинства растений составляет 60-80% полной полевой влагоёмкости, в период развития ассимиляционного аппарата и интенсивного роста — 70-80%.

К приёмам регулирования водного режима почв относятся: агротехнические, гидромелиоративные, агромелиоративные, лесомелиоративные и другие.

Человек начал использовать различные приёмы регулирования водного режима с давних времён, основываясь на учёте биологических особенностей культур и почвенно-климатических условий территории.

Для регулирования водного режима почв конкретных угодий целесообразно разработать и использовать систему земледелия, учитывающую особенности водного режима, а не применять отдельные приёмы для его регулирования.

Рыхлая и структурированная почва впитывает существенно больше количество влаги, чем уплотнённая и бесструктурная. В уплотнённой почве за счёт капиллярных сил происходит быстрое подтягивание влаги из нижних слоёв к поверхности и её усиленное испарение. Потеря при этом в весенний период при сухой и ветреной погоде могут достигать 50-70 т/га на незаборонованной зяби. Даже мелкое поверхностное рыхление, разрушающее уплотнённый верхний слой, резко сокращает потери влаги от испарения.

Мульчирование — приём укрытия поверхности почвы различными материалами (торфом, соломенной резкой, специальными плёнками) для уменьшения испарения воды. Как правило, этот приём используют на небольших площадях.

Борьба с сорной растительность, как фактора дополнительного потребления воды, также играет существенную роль.

Введение в севооборот чистых паров можно рассматривать как приём регулирования водного режима.

Снегозадержание — эффективный приём накопления влаги в почве за счёт талых вод. Потери талых вод в районах неустойчивого или недостаточного увлажнения за один год составляют 50-60 млрд т, при том, что на каждые 100 т/га воды (10 мм осадков) может быть получено дополнительно 200 кг/га зерна озимых культур и 100 кг — яровых. Для снегозадержания на склоновых землях, помимо противоэрозионных специальных приёмов вспашки (обработка поперёк склона, щелевание, прерывистое бороздование), устраивают микролиманы.

Широко используется посев высокостебельных культур (подсолнечник, кукуруза, горчица, сорго) и оставление стерни после уборки.

Кроме снегозадерживающих свойств, посадка лесных полос вдоль участков обеспечивает и противоэрозионную защиту.

Приёмы регулирования водного режима в засушливых районах

Ирригация — приём, используемый в системах интенсивного земледелия, для регулирования водного режима почвы, заключающийся в орошении. Имеет особенное значение в засушливых районах, где оно позволяет обеспечить влагой растения прежде всего в критические фазы роста.

Размещение культур в севообороте с различной корневой системой и потреблением воды позволяет наиболее эффективно расходовать влагу разных горизонтов.

Улучшение структуры почвы позволяет предотвратить сток воды по поверхности и сократить её испарение.

Применение удобрений за счёт уменьшения транспирационного коэффициента сокращает расход воды растениями.

Выведение и использование засухоустойчивых сортов с пониженным транспирационным коэффициентом, является хорошим средством рационального использования влаги.

Осушение

Осушение — приём, направленный на уменьшение избыточного увлажнения почвы. Актуален в северо-западных районах России.

Избыточная влага в почве приводит к вымоканию растений, снижая их урожайность в следствие создания анаэробных условий и ухудшения воздушного режима почвы. Сильное набухание при увлажнении глинистых почв с последующим подсыхание существенно уплотняет их, на поверхности образуется плотная корка.

В качестве приёмов осушения применяют дренаж, гребневые посевы, специальные приёмы вспашки, органические удобрения, в том числе сидеральные, проводится поверхностная обработка, нивелировка микро- и мезопонижений и др.

Сеть закрытых или открытых дрен позволяет избавляться от избытка влаги, а подача по дренам воды, наоборот, даёт возможность регулировать водный режим почв.

Воздушный режим почв

Воздушный режим почв — совокупность процессов взаимодействия растений с газами, содержащимися в почве.

Состав почвенного воздуха

Газообразная фаза почвы состоит из почвенного воздуха и парообразной воды. Доля газообразной фазы сильно зависит от типа и структуры почвы, физико-механических свойств.

Почвенный воздух занимает все поры почвы, свободные от воды. При этом, чем больше пористость и меньше влажность, тем больше воздуха накапливается. Наиболее благоприятно для развития растений содержание воздуха в крупных порах, а воды в мелких и средних.

Почвенный воздух содержит меньшее количество кислорода и больше углекислого газа, по сравнению с атмосферным (кислород 20,90%, диоксид углерода 0,03%). Хотя их соотношение может существенно колебаться. Оптимальное содержание кислорода в почвенном воздухе — 7-12%, углекислого газа — около 1%. Концентрация кислорода в верхних слоях почвы при хорошей аэрации близка к атмосферной. В то время как на тяжёлых с плохим газообменом она может снижаться в десятки и сотни раз, до десятых и сотых долей процента. Содержание углекислого газа, напротив, в почвах с плохой аэрацией увеличивается в сотни раз по сравнению с атмосферным воздухом и достигает 20% и более.

При содержании углекислого газа в почве выше 3-5%, а кислорода менее 10%, происходит угнетение растений.

Почвенный газообмен

Почвенный газообмен происходит непрерывно посредством сообщающихся между собой и атмосферой воздухопроницаемых пор. Скорость этого процесса зависит от ряда факторов: колебаний атмосферного давления, температуры, влажности почвы, ветра, растительности, строения и структуры пахотного слоя. Колебания температур и давления приводят к расширению или сжатию воздуха, что заставляет его перемещаться из зон с повышенным давлением в зоны пониженного давления. В рыхлых и хорошо оструктуренных почвах с большим количеством крупных пор между агрегатами скорость газообмена высокая, напротив, в заплывших, бесструктурных, покрытых коркой скорость газообмена низкая.

Поступление воды в почву с осадками, при орошении или подъёмом грунтовых вод приводит к выталкиванию почвенного воздуха в атмосферу, и, наоборот, при сокращении влаги, происходит втягивание атмосферного воздуха. Выпадающие дожди обеспечивают до 6-8% всего газообмена.

Ветер влияет на газообмен в зависимости от скорости, особенностей макро- и микрорельефа, структуры почвы и техники её обработки. На пористых почвах в отсутствии растительности ветер играет наибольшую роль в газообмене.

Аэрация — процесс газообмена между почвенным воздухом и атмосферным.

Диффузия — процесс перемещения газов в направлении градиента изменения их парциального давления, является главным и непрерывным фактором газообмена воздушного режима. Ввиду того, что концентрация кислорода в почве меньше, а диоксида углерода больше, чем в атмосферном воздухе, то создаются условия диффузии, то есть проникновения кислорода в почву из атмосферы, а углекислого газа — из почвы в атмосферу.

Показатели воздушного режима почв

Воздухоёмкость почвы — объём почвы, занятый воздухом при данной влажности. В силу постоянных колебаний влажности и пористости почвы, воздухоёмкость также подвержена колебаниям.

Воздухопроницаемость — способность почвы пропускать воздух, является главным условием газообмена почвы и атмосферного воздуха.

Регулирование воздушного режима почв

Основным приёмом регулирования воздушного режима является рыхление. Водопрочная комковатая структуры почвы является условием создания оптимального воздушного режима.

Внесение органических удобрений изменяет состав почвенного воздуха, увеличивая количество углекислого газа в пахотном слое. Например, 20 т навоза, внесенных на 1 га, увеличивают содержание CO₂ в почве на 70-140 кг.

В зонах повышенного увлажнения, особенно в весенний период, применяют гребневание для посева картофеля, сои и других культур.

Тепловой режим почв

Тепловой режим почв, также температурный режим почв, — совокупность процессов поступления и отдачи тепла почвой, его распространения и влияния на растения.

Основным источником тепла на Земле является лучистая энергия Солнца, преобразующаяся в тепло. К источникам тепловой энергия также относятся: тепло, передаваемое атмосферным воздухом, разложение органического вещества почвы, внутреннее тепло планеты, радиоактивные процессы почвы. Последние два источника тепла пренебрежимо малы. Доля тепла, получаемая от атмосферного воздуха также незначительна, хотя иногда оказывает некоторое влияние, например, при перемещении тёплых воздушных масс.

Как правило, выделение тепла микроорганизма не оказывает заметного влияния на тепловой режим почв. Однако при разложении «концентрированных» органических веществ, например, навоза, за счёт микробиологической деятельности температура может повышаться до 40-60 °C. На этом принципе основаны так называемые «тёплые грядки».

Теплообеспеченность имеет особое значение в период прорастания семян. Поэтому знание этих факторов позволяет определить точные сроки посева, выстроить систему обработки почвы и истребительные мероприятия по борьбе с сорной растительность.

Тепловые свойства почвы

Теплопоглотительная способность

Теплопоглотительная способность почвы — свойство почвы поглощать солнечную энергию за счёт преобразования световой энергии в тепловую. Параллельно с поглощением происходит частичное отражение света от поверхности почвы.

Соотношение доли поглощённой энергии и отражённой характеризуется показателем альбедо, определяется законом Кирхгофа и меняется в зависимости от черноты почвы: чем темнее почва, тем больше преобразуется света в тепло. Альбедо орошаемых земель на 5-11% ниже, чем сухих. Альбедо для чистого сухого снега составляет 88-91%, мокрого — 70-82%. Косвенными факторами, влияющими на альбедо, являются: структура, влажность и выравненность поверхности, особенности растений (цвет листьев и стеблей).

Высокогумусированные почвы (чернозёмы) поглощают на 10-15% больше световой энергии, чем малогумусированные, так же как и глинистые по отношению к песчаным.

Теплоёмкость

Теплоёмкость почвы — способность почв накапливать тепловую энергию.

Выделяют весовую и объёмную теплоёмкости.

Весовая теплоёмкость — количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг почвы на 1 °C. Выражается в Дж/(кг⋅°C). Иногда, вместо килограмма используют граммы.

Объёмная теплоёмкость почвы — количество тепла, необходимое для нагревания 1 м³ почвы на 1 °C. Выражается в Дж/(м³⋅°C). Иногда, вместо м³ используют см³ или дм³ (литры).

Весовая C_m и объёмная C_V теплоёмкость связаны между собой соотношением:

$${\rho C_m = C_V,}$$

где ρ — плотность почвы.

Теплоёмкость почвы зависит от минералогического и гранулометрического состава, влажности, содержания органического вещества. Например, кварцевый песок имеет весовую теплоёмкость меньше, чем торф.

Весовая теплоёмкость воды равна 4187 Дж/(кг⋅°C), песка — 821 Дж/(кг⋅°C), глины — 976 Дж/(кг⋅°C), торфа — 1997 Дж/(кг⋅°C), воздуха — 1,3 Дж/(кг⋅°C).

Влажность увеличивает теплоёмкость почвы, поэтому глинистые почвы, отличающиеся большой влагоёмкостью, медленно прогреваются весной, но и больше сохраняют тепло в ночное время и при заморозках. Их также называют холодными. Лёгкие почвы — песчаные и супеси, наоборот, прогреваются быстрее и называются тёплыми. Гумусированные, как и рыхлые почвы также отличаются большей теплоёмкостью.

Вода может изменять теплоёмкость почвы в 10-15 раз.

Теплопроводность

Теплопроводность почвы — способность почвы проводить тепло, или количество тепла, проходящее за единицу времени через единицу длины (площади, объёма) при разнице температур в 1 °C. Выражается в Вт/(м⋅°C).

Теплопроводность почвы зависит от химического и гранулометрического состава, влажности, содержания воздуха, температуры и плотности почвы. Сухие почвы, а также богатые гумусом и высокоаэрируемые, очень плохо проводят тепло.

Твёрдая фаза почвы примерно в 100 раз лучше проводит тепло, чем воздух. Поэтому плотная почва более теплопроводна, чем рыхлая. Увеличение плотности с 1,1 до 1,6 г/см³ приводит к увеличению теплопроводности в 6 раз.

Влажность почвы увеличивает теплопроводность: изменение влажности с 0,1 до 25-30% приводит к росту теплопроводности в 5 раз.

Для оценки скорости выравнивания температуры между горизонтами почвы применяют температуропроводность.

Температуропроводность — изменение температуры в 1 см³ почвы в результате поступления в неё определенного количества тепла, передающегося за единицу времени через единицу площади.

Теплоотдача

Теплоотдача почвы — способность почвы отдавать тепло. Теплоотдача может происходить посредством теплового излучения и конвекции. Теплоотдача за счёт конвекции зависит от насыщенности атмосферы водяными парами, температуры почвы и состояния поверхности.

Теплоиспускающая способность почвы — способность почвы отдавать тепловую энергию посредством теплового излучения. Она зависит от состояния почвы и поверхности, степени её увлажнения, а также от теплопроводности. Минеральные почвы из-за большей теплопроводности обладают большей теплоиспускающей способностью, чем торфянистые. Увлажненные почвы и почвы с гладкой поверхностью также имеют большую теплоиспускающую способность, чем сухие и с шероховатой поверхностью.

Закономерности теплового режима

Количество поступающей на поверхность почвы световой энергии характеризуется суточной и годовой периодичностью. Так как световая энергия преобразуется в тепловую, то изменение температуры поверхности имеет аналогичную закономерность. В суточном цикле температура поверхности почвы поднимается с восхода солнца до 14 ч, после 14 ч она начинает снижаться. В годовом цикле она возрастает с марта до июля, а затем охлаждается. Суточные температурные колебания, как правило, не распространяются глубже 1 м, годовые — глубже 5 м.

Температурные колебания играют важную роль для зимующих культур, так как глубокое и быстрое промерзание приводит к снижению устойчивость к низкой температуре. Снеговой покров оказывает существенное влияние на температурный режим почвы. Так как снег имеет низкую теплопроводность, отдача тепла от почвы в атмосферу в зимний период заметно снижается. Например, при толщине снега 24 см температура на его поверхности была -26,8 °C, тогда как под снегом на поверхности почвы -13,8 °C. Водный раствор, находящийся в почве, вследствие содержания большого количества минеральных веществ, имеет температуру замерзания значительно ниже воды — до -10 °C.

Приток световой энергии Солнца зависит от широты местности, погодных условий, времени суток, тумана, запылённости атмосферы и т. д. Тепловой режим почв зависит от рельефа местности. Крутизна и экспозиция склонов определяют разницу в количестве тепла, поступающего от солнечной энергии. Почвы южных, юго-западных и юго-восточных склонов прогреваются лучше, чем северных, северо-западных и северо-восточных, а также выровненных участков.

Типы тепловых режимов почв

Промерзание почв, покрытых растительностью, значительно меньше, чем непокрытых (без растительности, мульчи и т. п.). В различных почвенно-климатических зонах складываются разные тепловые режимы почв. В зависимости от величины среднегодовой температуры и характера промерзания выделяют 4 типа теплового режима:

мерзлотный;
длительно-сезонно-промерзающий;
сезонно-промерзающий;
непромерзающий.

Мерзлотный тип

Мерзлотный тип теплового режима характерен для зон вечной мерзлоты. В тёплый период почва протаивает, а в холодный — промерзает до верхней границы мерзлотного грунта. Среднегодовая температура почвы и температура на глубине 0,2 м в самом холодном месяце отрицательные.

Длительно-сезонно-промерзающий тип

Длительно-сезонно-промерзающий тип теплового режима характеризуется оттаиванием почвы в тёплый период, с последующим глубоким промерзанием в холодный. Длительность промерзания составляет не менее 5 месяцев на глубину более 1 метра. Среднегодовая температура почвы положительная, но температура на глубине 0,2 м в самый холодный месяц отрицательная.

Сезонно-промерзающий тип

Сезонно-промерзающий тип теплового режима характеризуется оттаиванием в тёплый период и неглубоким промерзанием в холодный. Отрицательные температуры проникают на глубину не более 2 м. Длительность промерзания составляет от нескольких дней до 5 месяцев. Среднегодовая температура почвы положительная, температура на глубине 0,2 м в самый холодный месяц отрицательная.

Непромерзающий тип

Непромерзающий тип теплового режима характеризуется отсутствием промерзания. Температуры почвы положительные, отрицательные могут быть несколько дней. Температура на глубине 0,2 м всегда положительная.

Регулирование теплового режима

Приёмы регулирования теплового режима в силу больших различий в условиях ведения сельского хозяйства могут сильно отличаться и быть противоположными. Например, в южных районах применяют меры для снижения поступления теплоты, тогда как в северных районах — меры для её накопления и сохранения.

В практике земледелия можно выделить три типа приёмов регулирования теплового режима почв:

агротехнический;
агромелиоративный;
агрометеорологический.

Агротехнические приёмы

Агротехнические приёмы регулирования теплового режима включают способы обработки почвы: глубокое рыхление, гребневание, прикатывание, оставление стерни, мульчирование, внесение органических удобрений.

Большие дозы органических удобрений, благодаря тепловыделению от активных микробиологических процессов, создают дополнительный источник тепла в почве.

Гребнистая поверхность за счёт увеличения площади поверхности, поглощает большее количество тепловой энергии, аккумулирует больше тепла и быстрее прогревается. Температура гребней на 3-5 °C выше по сравнению с выровненной поверхностью, что особенно важно в северных районах.

Глубокая вспашка создаёт резкую неоднородность почвы по профилю, изменяя плотность, влажность и пористость. При этом изменяются тепловые свойства почвы.

Уплотнение почвы увеличивает её теплопроводность, вследствие чего прикатывание используют для повышения среднесуточной температуры на 3-5 °C в пахотном слое глубиной до 10 см.

Мульчирование — приём позволяющий как накапливать тепло, так и сократить его поступления. Для накопления применяют материалы тёмного цвета, например полиэтиленовые чёрные плёнки, которые уменьшают альбедо (отражения световой энергии) на 10-15%. Аналогичный эффект дают прозрачные плёнки, почти не меняя альбедо, они накапливают тепло за счёт парникового эффекта. Плёнки светлого цвета, наоборот позволяют уменьшить накопление тепла, увеличивая альбедо.

Затенение может быть использовано для уменьшения поступления световой энергии на поверхность почвы.

Агромелиоративные приёмы

Агромелиоративные приёмы регулирования теплового режима почвы включают борьбу с засухой, лесонасаждение, орошение, осушение.

Лесные полосы, помимо ряда других преимуществ, позволяют регулировать тепловой режим почв за счёт снегонакопления и изменения микроклимата местности, снижают скорость ветра на 20-40% в межполосных местах по сравнению с открытыми пространствами.

Орошение можно использовать, как для накопления тепла, так и для его уменьшения. Почвы после полива снижают долю отражённой радиации на 20%, уменьшается теплоизлучающая способность, что увеличивает накопление тепла. Высокая влажность почвы способствует теплопередаче, что улучшает её прогревание и снижает температурные колебания. В то же время увеличение влажности почвы приводит к снижению температуры в результате больших затрат тепла на прогревание (так как увеличивается теплоёмкость почвы) и испарение воды.

В южных районах строительство водоёмов, прудов и лиманов позволяет увеличить влажность почвы и воздуха, что снижает испарение влаги и нагревание почвы.

Агрометеорологические приёмы

Агрометеорологические приёмы регулирования теплового режима почв направлены на борьбу с заморозками, снижение теплоиспускающей способности почвы и т. п.

Борьбу с заморозками проводят созданием дымовых завес («прикрывают» посевы дымом).

Питательный режим почв

Питательный режим почв — совокупность процессов поступления, накопления, трансформации питательных веществ в почве и поглощения их растениями. Питательные вещества в почве могут быть в почвенном растворе, в органическом веществе почвы и в твёрдой минеральной фазе почвы.

Классификация почв по обеспеченности питательными элементами

В России применяется классификация почв по степени обеспеченности питательными элементами и реакции. Классификацию применяют при агрохимических обследованиях почв, составлении агрохимических карт (картограмм), паспортов полей и для расчётов оптимальных доз удобрений и мелиорантов под культуры применительно к конкретным природно-экономическим условиям. Для отдельных регионов России уровни обеспеченности растений питательными вещества уточняются на основании данных полевых опытов, видового и сортового разнообразия культур и почвенно-климатических условий.

Таблица. Классификация почв по обеспеченности питательными элементами (мг/кг) и кислотности.

Класс	P₂O₅				K₂O				N (по Тюрину и Кононовой)			Нитрифицирующая способность	pH_сол
Класс	по Кирсанову	по Чирикову	по Мачигину	по Аррениусу, Ониани	по Кирсанову	по Чирикову	по Мачигину	по Масловой	pH < 5	pH 5-6	pH > 6	Нитрифицирующая способность	pH_сол
1	< 25	< 20	< 10	< 80	< 40	< 20	< 100	< 50	< 40	< 30	< 30	< 5	< 4,5
2	25-50	20-50	10-15	80-150	40-80	20-40	100-200	50-100	41-50	31-40	31-40	5-8	4,5
3¹	51-100	51-100	15-30	151-300	81-120	41-80	201-300	101-150	51-70	41-60	41-50	8-15	4,6-5,0
4²	101-150	101-150	31-45	301-450	121-170	81-120	301-400	151-200	71-100	61-80	51-70	15-30	5,1-5,5
5³	151-250	151-200	46-60	451-600	171-250	121-180	401-600	201-300	101-140	81-120	71-100	31-60	5,6-6,0
6	> 250	> 200	> 60	> 600	> 250	> 180	> 600	> 300	> 140	> 120	> 100	> 60	> 6,0
Примечания.
¹ Средняя обеспеченность для зерновых, зернобобовых, однолетних и многолетних трав.
² Средняя обеспеченность для пропашных культур.
³ Средняя обеспеченность для овощных, а по фосфору и для технических культур.

Влияние влажности на питательный режим почв

Влияние влажности почвы на поступление в растение питательных веществ определяется следующими физиологическими и физическими факторами:

общим физиологическим состоянием растения. Например, нормальная оводнённость тканей улучшает фотосинтез, биосинтез белков и других процессов обмена веществ.
Развитием и расположением корней при нормальном содержании влаги в почве и общей поглотительной способностью.

При оптимальной влажности почвы происходит увеличение общего поступления в растение макро- и микроэлементов. При дефиците влаги усвоение элементов питания затрудняется.

Избыточная влажность почвы отрицательно сказывается на поглощение элементов питания и проявляется в одностороннем повышении доступности некоторых ионов, в частности оксидов железа и марганца, избыток которых в растении токсичен.

В жаркий день растение за 1 ч может испарять воды примерно столько, сколько её содержится во всём растении. Даже огромная всасывающая поверхность корневой системы при недостаточном увлажнении почвы не может обеспечить достаточного количества воды для транспирации в таких условиях. Наступает «полуденная депрессия процесса фотосинтеза», при этом устьица закрываются, растения перестают испарять воду, прекращается поступление диоксида углерода.

Расход воды, необходимый для создания единицы массы сухого вещества, уменьшается в условиях достаточного обеспечения растений элементами минерального питания.

Д. Н. Прянишников в опытах показал, что расход воды на единицу сухого вещества на фоне удобрения уменьшается на 36,5% при низкой влажности почвы и на 20% — при высокой.

Таблица. Потребление воды на создание единицы сухого вещества, л.

Вариант опыта	Пшеница	Лён
Без удобрений	800	1092
N	917	1198
NP	545	1000
NPK	480	787

Транспирация воды растениями снижается при высокой относительной влажности воздуха, при этом увеличиваются интенсивность роста и поглощение элементов питания.

На запас воды в почве значительно влияет система обработки почвы. Например, запас воды в поле «химического пара», то есть при многократных обработках гербицидами, запас воды в 4 раза больше, чем при механической обработке парующего поля.

Лимитирующее действие влажности почвы на урожай культур зависит от обеспеченности элементами питания. Даже в водной культуре при высокой концентрации питательного раствора проявляется физиологическая сухость.

В засушливых условиях необходимо обращать внимание на дозы азотных и калийных удобрений, которые также отвечают за создание общей ионной силы раствора.

Оптимальное обеспечение растений питательными веществами оптимизирует потребление воды, в свою очередь достаточная увлажнённость повышает эффективность удобрений.

Взаимосвязь воздушного и питательного режимов почв

Впервые взаимосвязь воздушного и питательного режимов почв была показана Хогландом.

В частично анаэробных условиях ухудшается снабжение корневых клеток кислородом и повышается содержание диоксида углерода. Связь поглотительной способности корней при аэробных условиях определяет характер зависимости поглощения от обеспеченности кислородом. Так, одним из основных требований при выращивании растений в водной культуре является продувание питательного раствора воздухом.

Различные условия воздушного режима влияют на поглощение различных ионов.

Для корневой системы целых растений и при выращивании культуры с изолированными корнями максимальное поглощение элементов приходится на содержание кислорода 2-3%. Дальнейшее увеличение концентрации кислорода до 100% не влияет на скорость поглощения. Поглощение фосфатов корнями ячменя не зависит от парциального давления кислорода в диапазоне от 3 до 100%, при условии общего давления газа равного атмосферному (1,01⋅10⁵ Па).

Условия аэрации, температура воздуха и питательной среды оказывают влияние на поступление элементов минерального питания в растения.

Оптимальная концентрация кислорода (около 3%) может меняться в зависимости от вида культуры. Содержание кислорода в почве определяет окислительно-восстановительный потенциал системы веществ в почве. Так, для катионов более растворима и подвижна форма соединений металлов с низкой валентностью (Fe²⁺, Mn²⁺ и др.).

Избыточное содержание углекислого газа негативно действует на поглощение корневой системой нитратов, фосфатов и аммония.

Взаимосвязь теплового и питательного режимов почв

Корни растения не могут развиваться и усваивать питательные вещества при низкой температуре. Поэтому в холодных почвах растения медленно развиваются, что связано не с недостатком питательных веществ, а тем, что корневая система не способна поглощать воду и питательные ионы в холодной среде. Температурный режим определяет накопление подвижных форм питательных веществ в почве благодаря мобилизации потенциального плодородия и поглощения их растениями из почвы и внесенных удобрений. Так, при увеличении температур с 10 до 25 °C мобилизация питательных веществ почвы возрастает, а ниже 10 °C эти процессы подавлены. На всех почвах Забайкалья наибольший эффект на урожайность отмечается при внесении фосфорных удобрений, что объясняется замедленным поступлением фосфора в условиях низкой температуры и недостатка влаги.

Влияние температуры среды на поступление в растения питательных элементов (% от поглощения при 20 °C)

При низких температурах подавляется метаболическое поглощение, происходящее в активной зоне, но поглощение путём диффузии протекает независимо от температуры. Повышение концентрации раствора увеличивает поглощение питательных элементов растениями, поэтому поглощение элементов питания при низкой температуре возможно усилить внесением повышенных доз удобрений.

Низкие температуры в начале роста растения влияют на азотное и фосфорное питание, что объясняется слабой мобилизацией и недостаточным использованием азота и фосфора запасных веществ семени, менее интенсивным их поглощением из внешней среды и замедленным развитием проростков.

Для большинства культур оптимальная температура для поступления азота и фосфора составляет 23-25 °C. Однако содержание белка в зерне пшеницы возрастает при повышении температуры до 35 °C. Вероятно, в условиях достаточной влажности (60% НВ) и повышении температуры почвы усиливается мобилизация азота, что отражается на содержании белковых веществ. Содержание белка в пшенице, выращенной на юго-востоке России, выше, чем на северо-западе. Содержание белка коррелирует с засушливым климатом и повышенными температурами. Клещевина, соя, фасоль и другие южные культуры также лучше поглощают питательные вещества при температуре 30-35 °C.

Усвоение аммонийного азота возможно при более низкой температуры, чем для нитратного.

Для каждого вида и сорта растений характерны определенные температуры, соответствующие наиболее интенсивному поглощению элементов минерального питания.

При температурах менее 10-11 °C поступление фосфора в растения затрудняется. Поступление нитратного азота ухудшается при температуре ниже 5-6 °C. Понижение температуры также оказывает отрицательное воздействие на поступление калия. В условиях оптимального минерального питания температура ниже 5-6 °C (по другим данным ниже 10 °C) является критической для поступления основных элементов минерального питания. Пониженные температуры тормозят вовлечение минеральных азотных соединений в синтетические процессы.

Скорость поглощения элементов минерального питания возрастает при повышении температуры до определенного предела, отличного для разных растений.

Уменьшение поглощения солей при температуре 40-50 °C вызывается инактивацией ферментных систем, участвующих в процессах усвоения ионов.

Взаимосвязь светового и питательного режимов

Взаимосвязь светового и питательного режимов проявляется в том, что растения при поглощении питательных веществ затрачивают энергию, которую получают в процессе фотосинтеза, напрямую зависимого от светового режима.

Растения начинают усиленно поглощать питательные вещества при первых лучах солнца. В случае затенения происходит снижение как интенсивности фотосинтеза, так и поглощение питательных веществ. Длительное затенение приводит к полному прекращению поступления элементов минерального питания, что объясняется накоплением в процессе фотосинтеза органических веществ, используемые при дыхании. При затенении растений дыхание постепенно затухает.

Влияние реакции среды на питательный режим почв

Реакция среды оказывает косвенное и прямое влияние на растения. При прямом действии реакция почвенного раствора влияет на концентрацию ионов H⁺, HCO₃^-, OH^- на поверхности корневых волосков, и, как следствие, на концентрацию этих ионов в клеточном соке. В результате этого меняется характер поступления питательных веществ. Смещение кислотности в сторону кислой или щелочной реакции нарушает физиологическую уравновешенность ионов, ухудшая питательный режим почв, приводит к нарушению углеводного, белкового и фосфорного обмена.

Таблица. Влияние pH раствора на поглощение элементов минерального питания растения.

Культура	pH раствора	Поглощено из (NH₄)2HPO₄
Культура	pH раствора	NH₄⁺	HPO₄^2-
Кормовые бобы	4,8	0,23	1,11
6,6	0,89	0,13
7,4	1,26	0,06
Пшеница	5,3	1,40	0,92
6,7	1,86	0,28
7,3	2,26	0,10

Косвенное действие заключается в увеличении концентрации ионов водорода, сопровождающееся повышением содержания подвижных форм алюминия, марганца и железа, оказывающие токсичное действие на растения.

При увеличении кислотности раствора улучшается поступление анионов, подщелачивание способствует поглощению катионов. Но в почвенных культурах эта закономерность проявляется не всегда, так как поступление элементов питания зависит от их подвижности.

Подкисление почвы уменьшает доступность молибдена, фосфора, кальция и повышает доступность бора. Процентное содержание и вынос этих веществ с урожаем снижаются, нарушаются обмен веществ в растениях, синтез белков, замедляются процессы превращения моносахаридов в дисахариды и более сложные органические соединения. Повышенная кислотность нарушает деятельность ферментов корневой системы: увеличивается активность каталазы, пероксидазы, повышается гидролитическая активность протеолитических ферментов, что было установлено в опытах с разными культурами Н. С. Авдониным.

В опытах Д. Н. Прянишников установил, что аммонийное питание сахарной свёклы оптимально при pH 7,0, а при нитратном — pH 5,5. При анализе было отмечено пониженное содержание кальция в листьях растений, так как избыток ионов водорода и аммония в растворе препятствует поступлению кальция. Негативное действие ионов водорода сильнее проявляется при малом содержании других катионов. Исходя из данного положения, Д. Н. Прянишников усилил развитие растений свёклы при pH 5,5 на аммонийном питании благодаря добавлению в питательный раствор повышенных количеств кальция. Магний и калий оказывают аналогичное действие, однако оно проявляется меньше, чем при добавлении кальция.

Растения особенно чувствительны к реакции среды в начальный период роста. Сдвиг реакции среды в кислую сторону до pH 3,5 в период 40-60 дней после появления всходов не оказывал заметного влияния на урожай ячменя, но сдвиг реакции в первые 20 дней, а также в течение всей вегетации, резко снижал урожайность.

Ориентировочные величины pH, приведенные в таблице, имеют относительный характер для культур, так как на эту величину влияет множество факторов, например, содержание кальция в почвенном растворе, которое может уменьшать отрицательное действие кислой реакции вследствие антагонизма ионов Ca²⁺ и H⁺.

Действие реакции среды на растение зависит от концентрации почвенного раствора: повышение концентрации ослабляется вредное влияние кислой реакции. Действие реакции среды зависит от форм азотных удобрений. Так, на фоне аммиачных форм кислая реакция усиливает вредное действие, чем на фоне нитратных. Хлор также усиливает отрицательное действие ионов водорода. Фосфорные удобрения, напротив, ослабляют отрицательное действие.

Высокая кислотность отрицательно влияет на растения при недостаточной освещенности из-за ослабления фотосинтеза и недостатка ассимилятов, участвующих в метаболических процессах. Под влиянием избыточной кислотности и при недостаточном освещении нарушается закладывание генеративных органов и процесс оплодотворения, понижается продуктивный коэффициент кущения, уменьшается количество колосков и зерен в колосе, ухудшается налив зерна.

Действие высокой кислотности среды усиливается другими отрицательными факторами. Так, в опытах кафедры агрохимии МГУ было показано, что при кислой реакции и избыточном увлажнении снижается урожайность, вероятно, из-за недостаточной аэрации почвы. При избыточной кислотности и увлажнённости усиливается негативное влияние на образование генеративных органов, процесс оплодотворения и налив зерна. В опытах урожай зерна при кислой реакции снижался при оптимальной влажности на 47,5%, а при избыточной — на 70,9%.

Влияние кислотности на поглощение растениями питательных веществ определяется свойствами почвы. Например, снижение pH при высоком содержании железа, алюминия и марганца приводит к увеличению их подвижности и накоплению в растениях. Ионы железа и алюминия образуют труднорастворимые, недоступные для растений соединения с фосфором и молибденом.

В опытах Г. Я. Ринькиса показано, что при уменьшении кислотности тормозится поглощение марганца, кобальта и цинка, в меньшей степени — калия и магния. Автор расположил элементы в зависимости от снижения их поступления в растения при подкислении в ряд: Мn, Со, Zn, Сu, Р, Fе, В, Mg, К, N, Мо.

Растения легче переносят неблагоприятную реакцию среды на почвах с высокой ёмкостью поглощения и буферностью.

Регулирование питательного режима

Регулирование питательного режима заключается в воздействии человека на составляющие баланса питательных веществ. Восполнение запасов возможно, как за счёт деятельности человека, так и за счёт естественных процессов.

Задачами регулирования питательного режима является обеспечение бездефицитного, а в идеале, положительного баланса питательных веществ, и обеспечение ими растений в каждой фазе роста в достаточных количествах. Решение задач регулирования достигается воздействием на источники поступления питательных веществ и расходную часть баланса путём:

внесения минеральных и органических удобрений — самый действенный способ регулирования питательного режима;
улучшения воздушного, теплового и водного режимов почв;
использования рациональной системы обработки почв, адаптированной под условия конкретной местности;
правильно спланированного севооборота;
борьбы с сорной растительностью.

За счёт агротехнических приёмов обеспечивается перевод недоступных элементов в легкодоступные, а также активизируются процессы разложения органического вещества и их минерализация.

Нормализация реакции почвенного раствора существенно сказывается на доступности питательных веществ. Для этого проводят известкование кислых или гипсование солонцовых почв.

Обеспечение оптимальной влажности почвы повышает эффективность использования растениями питательных веществ. Поэтому регулирование водного режима тесно связано с регулированием питательного. В условиях достаточной влажности эффективность удобрений максимально. Избыточное увлажнение приводит к повышенному потреблению питательных веществ, не направленного на создание урожая. Влажность играет важную роль и в жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и биоты.

Регулирование питательного режима возможно осуществлять за счёт введения в севооборот культур с глубоко залегающей корневой системой для лучшего использования запасов питательных веществ глубоких слоёв почвы, а также культур, способных трансформировать недоступные формы веществ в усвояемые. В частности, горчица, лютик, донник, люпин и гречиха переводят недоступных формы фосфора в доступные.

Баланс питательных веществ почвы

Круговорот питательных веществ

Интенсивность биологического круговорота — количество химических элементов, содержащихся в приросте фитоценоза на единицу площади за интервал времени.

Одной из задач агрохимии является оценка направленности круговорота биогенных элементов и степень интенсивности антропогенного воздействия на систему почва-растение в балансе питательных веществ в агроценозе, а также создание условии для рационального круговорота питательных веществ в земледелии и обеспечение их положительного баланса, для оптимизации питания сельскохозяйственных культур путём применения научно-обоснованной системы удобрений в севообороте.

В 1825 году впервые в России профессором Московского университета М. Г. Павловым был издан научный труд «Земледельческая химия», в котором он обосновывает задачу повышения плодородия почв за счёт увеличения в почве питательных веществ или по крайней мере возвращение того, что взято растениями. Развитие исследования баланса питательных веществ в агрохимии началось с издания работы Ю. Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии» (1840) и учения о полном возврате в почву минеральных веществ, взятых из неё урожаем растений.

Проблеме круговорота веществ в земледелии, их балансу уделил основоположник отечественной агрохимии Д. Н. Прянишников. Он писал, что развитие химической промышленности является одной из важнейших материальных предпосылок регулирования круговорота веществ в земледелии, их обмена между человеком и природой. Он отмечал, что если истощение почв в результате нарушения обмена веществ между человеком и землей нарушает естественное условие постоянного плодородия почвы, то широкое применение удобрений, базирующееся на химической промышленности, является одним из мощных факторов не только поддержания на постоянном уровне (как это считал Ю. Либих), но и дальнейшего повышения плодородия почвы, как это можно видеть на историческом примере увеличения урожаев в западноевропейских странах с повышением уровня химизации.

Хозяйственная деятельность человека, включающая интенсификацию сельскохозяйственного производства и химизацию, приводит к изменениям в процессах превращения веществ и энергии в природе. Так, происходят изменения в цикле азота в биосфере при переходе от естественного состояния почвы к состоянию при интенсивной обработке. В почвах естественных биоценозов потери азота от улетучивания и денитрификации уравновешиваются его поступлением с атмосферными осадками и биологической фиксации.

Цикл азота в биосфере при естественном состоянии почвы

Цикл азота в биосфере при интенсивной обработке почвы

При освоении земельного участка под интенсивное сельскохозяйственное производство, цикл азота претерпевает изменения. При этом потери азота из системы превышают его поступление, что приводит к обеднению почвы этим элементом. При сельскохозяйственном освоении земель увеличивается число путей потерь азота из системы: наряду с газообразными потерями азота из почвы увеличивается вымывание нитратов. Азот выводится из системы и при сжигании растительных остатков. Значительные количества отчуждаются при использовании сельскохозяйственной продукции на промышленные и иные нужды, а также поглощается сорной растительностью.

Естественное поступление азота в цикл происходит за счёт биологической фиксации и с осадками. Только внесением азотных удобрений и навоза возможно устранить дефицит в азотном балансе и создать условия для сохранения и повышения плодородия. Потери азота и других питательных веществ вызывают эвтрофикацию водоёмов, загрязняют грунтовые воды и обуславливают ряд нежелательных явлений в окружающей среде.

Не имеет значения в какой форме вносится азот в почву — в составе органических или минеральных удобрений, нитратной, аммиачной, амидной или молекулярной, фиксированной бобовыми культурами — в конечном счёте в растениях в синтезе аминокислот и белков принимает участие только восстановленная аммонийная форма азота (NH₄⁺). Все остальные формы восстанавливаются до аммония в процессе химического или биологического превращения в почве или в растениях.

Органические и минеральные удобрения как источники питательных веществ равноценны. Однако органические удобрения более предпочтительны, так как менее концентрированы. Например, по азоту 0,1 т мочевины равноценна 10 т навоза. Нарушения в технологии применения минеральных удобрений приводит к созданию высоких концентраций питательных веществ в почве, которые, поступая в избыточном количестве в растения, ухудшают качество продукции или вызывают аммиачное отравление растений. Минерализация органических удобрений происходит медленно и не создаёт повышенных концентраций минеральных солей.

Баланс питательных веществ почвы

Баланс питательных веществ почвы — это количественное выражение содержания питательных веществ в почве конкретной площади с учётом всех статей поступления и расхода в течение определенного промежутка времени.

Источники поступления питательных веществ:

минеральные удобрения;
органические удобрения;
растительные остатки;
посевной материал;
биологическая фиксация азота;
атмосферные осадки.

Расходную часть составляют:

вынос с урожаем основной и побочной продукции;
вынос с растительными остатками;
вымывание в грунтовые воды и смыв с поверхности;
потери от эрозионных процессов;
газообразные потери.

Для исследовательских целей количественные величины статей баланса принимаются на основании экспериментальных данных, для практических — справочные данные.

Для проведения теоретических исследований с учётом всех статей баланса используют метод с использованием лизиметра. Этот метод позволяет определить закономерности изменения статей баланса и дать научное объяснение. В этих опытах применяют удобрения с мечеными атомами. Так, согласно результатам лизиметрических исследований, проведенных во ВНИИ агрохимии им. Д. Н. Прянишникова на дерново-подзолистых почвах Нечерноземья с помощью стабильного изотопа азота ¹⁵N, 30-60% азота внесенного удобрения используют растения, 15-30% — аккумулируется в почве, 10-30% — теряется в результате улетучивания в атмосферу и 1-5% — вымывается водами.

В практических целях применяют данные по биологическому, хозяйственному и внешнехозяйственному балансам.

Биологический баланс охватывает все статьи поступления и расхода питательных веществ, участвующих в круговороте. Его используют при оценке системы удобрения культур и специализированных севооборотов.

Хозяйственный баланс учитывает только вынос питательных веществ с основной и побочной продукцией и поступление за счёт внесения удобрений. Расчёт хозяйственного баланса даёт достаточно объективную агроэкономическую оценку системе удобрения.

Внешнехозяйственный баланс учитывает отчуждение питательных элементов с товарной продукцией за пределы хозяйства и поступление их с минеральными удобрениями. Этот вид баланса имеет значение для распределения удобрений и определяется специализацией хозяйства. При специализации агропредприятия на производстве товарной продукции, баланс более дефицитным, чем на предприятиях животноводческой специализации, так как часть питательных веществ, отчуждаемая с полей в виде кормов, возвращается в виде навоза.

Исследования баланса питательных веществ почвы в длительных стационарных опытах с удобрениями позволяют учитывать многолетнее внесение по ротациям севооборота питательных элементов и вынос их с урожаями. Опыты проводятся в близких к производственным условиях, поэтому получаемые данные применимы в научных и практических целях.

Основной статьёй расхода является вынос питательных веществ с урожаем. Размер выноса применительно к конкретным культурам, сортовым особенностям и почвенно-климатическим условиям может отличаться от справочных данных.

Наибольшие потери питательных веществ происходят под чистыми парами, меньше — под пропашными культурами, далее в порядке снижения: зерновые, многолетние травы, сенокосы и пастбища.

Регулирование факторов жизни растений

Благодаря накопленному опыту возделывания культурных растений, человек научился посредством агротехнических приёмов регулировать поступление факторов жизни. Растения также обладают способностью влиять на условия произрастания, как за счёт физиологических процессов, так и воздействия на внешнюю среду. Например, отмершие части растений накапливают в почве органическое вещество, что изменяет водный, питательный и другие почвенные режимы.

Основной задачей земледелия является создание оптимальных условий жизнедеятельности растений за счёт регулирования количества поступающего тепла, света, питательных веществ и воды. Для решения этих задач разработаны или разрабатываются агротехнические приёмы, а также ведутся исследования по изучению потребностей растений, которые во многом зависит от множества различных условий.

Создание оптимальных условий для роста и развития растений связано:

с изменением физических, химических и биологических свойств почвы;
наличием в ней достаточного количества питательных веществ в доступной для растений форме;
интенсивностью процессов трансформации элементов питания из труднодоступных в легкодоступные для растений формы, то есть процессов мобилизации и иммобилизации.

Регулирование космических факторов жизни растений в земледелии затруднительно, однако, не является непреодолимой задачей. Земные факторы, напротив, удаётся регулировать, создавая оптимальные условия для развития растений.

Космические факторы, как более глобальные, определяются поступлением световой энергии Солнца, частично трансформирующейся в тепловую. Именно она, в решающей степени определяет климатические и зональные особенности местности, что обусловливает возможности произрастания тех или иных видов растений. Кроме того, климат является одним из факторов почвообразования, то есть косвенно воздействующий на произрастание растений. Почвенно-климатические условия определяют специализацию земледелия, местный характер производства, то есть состав сельскохозяйственных культур, биологические свойства которых наиболее полно отвечают условиям и обеспечивают получение высоких стабильных урожаев требуемого качества.

Литература

Никляев В. С. Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. М.: «Былина». 2000
Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. и др. Земледелие. Учебник для вузов. М.: Издательство «Колос». 2000
Минеев В. Г., Сычёв В. Г., Гамзиков Г. П. и др. Агрохимия. Учебник. / Под ред. Минеева В. Г. М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова. 2017
Вавилов П. П., Гриценко В. В., Кузнецов В. С. и др. Растениеводство / Под ред. Вавилова П. П. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат. 1986
Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002