Потеря воды растениями

У одиночного растения все листья будут транспирировать, так как они окружены сравнительно сухим воздухом. Однако в условиях полевой культуры нижние листья окружены преимущественно влажным воздухом в результате транспирации других листьев. Только верхние листья соприкасаются непосредственно с более сухой атмосферой. Кроме того, листья, расположенные ниже верхнего слоя, настолько ограничивают движение воздуха, что между растениями он становится насыщенным влагой. Поэтому нижние листья обладают значительно более низкой интенсивностью транспирации. Молекулы водяных паров диффундируют из насыщенного воздушного слоя в посеве в сухой воздух над посевом, и при относительно ровной поверхности насаждения (как, например, в посевах злаков) эффективной транспирирующей поверхностью становится, по существу, поверхность посева, а не всех отдельных листьев (рис. 14.3). Тогда безразлично, сколько растений в посеве или сколько листьев на растении; если листовой полог покрывает всю почву, потеря воды будет определяться площадью посева. Такой посев теряет относительно много воды - в дневное время примерно столько же, сколько испаряет открытая водная поверхность, такая, как озеро. Поскольку ночью большинство растений закрывает свои устьица, ограничивая таким образом транспирацию, суточная потеря воды посевом несколько ниже испарения с поверхности открытого водоема. Так как отдача воды каждой культурой составляет обычно определенную долю испарения с открытой водной поверхности, ее можно рассчитать по этому испарению или по количеству солнечного тепла, которое может расходоваться на испарение. Такие данные сейчас обычно можно получить от метеостанций.

Рис. 14.3. Различия в транспирации одиночного растения и сообщества таких же растений в посеве. Одиночное растение теряет воду со всей своей поверхности, а растения в посеве лишь с открытой поверхности, так как воздух, окружающий нижние листья, насыщается водяными парами. Основная потеря молекул воды происходит там, где насыщенный влагой воздух встречается с сухим воздухом над посевом

Рост растений неизбежно зависит от воды, необходимой для создания тургора в растущих клетках. Поэтому урожайность культуры прямо связана с количеством доступной для растения воды, большая часть которой транспирируется. Поскольку в течение длительного периода приход воды должен быть равен его расходу, знание количества воды, транспирируемого культурой, позволяет определять норму орошения (потеря путем транспирадии+просачивание - дождевые осадки = норма орошения). Это позволяет фермеру производить орошение только при необходимости и таким образом избегать ненужных затрат воды и энергии. В идеале поступление воды должно всегда уравновешивать ее транспирацию, но это часто практически неосуществимо. Растения различаются по способности переносить водный дефицит без угнетения роста. Однако для того, чтобы предотвратить потери урожая, орошение должно возмещать потери на транспирацию до того, как нехватка воды начнет ограничивать рост (рис. 14.4).

Рис. 14.4. В засушливых зонах почти невозможно выращивать культуры без дополнительного обеспечения их водой для транспирации и роста. Это особенно хорошо видно при наблюдении с борта самолета. Около гигантских оросительных установок, вращающихся вокруг центральной оси (А), образуются круги зеленой растительности диаметром более 1,5 км, расположенные среди сухого ландшафта (Б). На снимке показана кукуруза (Zea mays), выращиваемая на северо-востоке Колорадо, в зоне, где среднегодовое количество осадков составляет лишь 35 см. (С любезного разрешения H. R. Duke, D. F. Heermann, Agricultural Research Service, USDA Fort Collins, Colorado.)

В зависимости от биологии данной культуры потери влаги могут варьировать от очень малой величины до количества, превышающего испарение с водной поверхности. Голая поверхность почвы быстро высыхает, ограничивая тем самым потерю воды из нижележащих слоев. Вот почему для сохранения воды в районах с ограниченным количеством осадков и без орошения почву оставляют под паром. Таким образом в почве можно сохранять большую часть годовых осадков. Когда растения начинают расти, корни могут доставать воду из нижележащих слоев почвы. Потери воды затем возрастают до тех пор, пока посев не закроет полностью почву и не сформирует транспирирующую поверхность. Транспирация у рядковой культуры или плодовых деревьев может превышать потерю воды ровным посевом, так как они имеют большую транспирирующую поверхность, чем площадь земли, на которой растут. Кроме того, между рядками может дуть ветер, перемешивая сухой воздух с влажным. Поэтому норма орошения для рядковых посевов может быть больше, чем для сплошных, и она зависит в основном от общей поверхности лосева.

Засоленность

Во всех орошаемых районах мира почва становится более соленой. Высокие концентрации NaCl и других солей в оросительной воде повреждают растения, так как осмотические эффекты тормозят поглощение воды, а натрий ингибирует ферменты в цитоплазме. Поэтому при накоплении соли растения становятся чахлыми и в конце концов перестают расти.

Поскольку в условиях сухого климата фактически вся поливная вода испаряется, засоленность почвы увеличивается несмотря даже на то, что оросительная вода обычно содержит лишь незначительные концентрации солей. Соли остаются в почве, и их количество медленно возрастает до тех пор, пока концентрация не начнет повреждать растения. В этот момент нужно либо прекратить сельскохозяйственное использование почвы, либо промыть ее избыточным количеством воды для удаления соли. Однако большие количества воды, необходимые для промывания, часто недоступны в зонах, требующих орошения.

Для того чтобы обойти эту проблему, можно использовать два пути. Первый путь - капельное орошение, обеспечивающее достаточным количеством воды отдельные растения, но не увлажняющее почву между ними. Оно осуществляется путем прокладки трубы вдоль каждого ряда растений. Отверстия в трубе расположены так, чтобы каждое растение получало необходимую ему воду, а на полив свободных участков вода не тратилась. Оросительная вода, даже если в ней содержится небольшое количество соли, имеет тенденцию вымывать соли в самую глубину корнеобитаемого слоя, в самом же этом слое вода остается пресной, так что накопление соли меньше вредит растениям. Капельное орошение используют для плодовых деревьев или таких растений, как салат, но оно неприменимо для культур сплошного сева, например пшеницы. Ясно, что этот метод может лишь отложить час расплаты, если климат абсолютно сухой. Однако в некоторых засушливых областях бывает и дождливый сезон, что приводит к промыванию почвы; в таких случаях описанный метод не только сохраняет воду во время сухого сезона, но даже позволяет использовать умеренно соленую воду, которая была бы вредна при орошении путем дождевания или затопления.

Другой путь - селекция на солеустойчивость. Солеустойчивые растения, галофиты, встречаются в природе. Они справляются с проблемой засоленности путем поглощения значительных количеств соли, в результате чего водный потенциал их клеток позволяет им всасывать воду даже из засоленной почвы. При этом соль накапливается в клеточных вакуолях, так что высокое содержание натрия не влияет на цитоплазматические ферменты. Опыты показали, что специальные линии некоторых растений, обычно не рассматриваемых как галофиты, могут обладать значительной устойчивостью к засолению. Например, солеустойчивая линия ячменя, выведенная Эмануэлем Эпштейном (Калифорнийский университет в Дэвисе), дает урожай в условиях такой засоленности, при которой обычный ячмень погибает. Дальнейшая селекция этой линии может дать сорт для выращивания на засоленных почвах.