Растения чувствительны как к недостатку влаги в почвах, так и к ее избытку. При недостатке влаги падает тургурное давление клеток, теряется их эластичность, резко снижается динамика всех биохимических процессов, сокращается поглощение углекислоты через устьица, в биомассе накапливаются вещества-ингибиторы – все это приводит к падению биологической продуктивности или к полной гибели растений.
При избытке влаги у растений нарушается кислородный обмен растения, а в почвах накапливаются ядовитые закисные соединения. Для большинства сельскохозяйственных растений содержание воздуха в почве, обеспечивающее хорошие условия для роста и развития, а также надлежащий газообмен между почвой и атмосферой, равно 20-40% от порозности. Это обеспечивается уровнем влажности почвы, равной 60-80% от наименьшей (полевой) влагоемкости.
Растения по-разному приспосабливаются к недостатку или избытку влаги в почвах. При недостатке воды засухоустойчивые растения имеют повышенную сосущую силу корней, а также развивают мощную глубокопроникающую корневую систему. Уменьшение потери воды происходит благодаря закрытию устьиц, кутикулярной защите и уменьшению транспирирующей поверхности. Многие растения обладают способностью запасать воду.
А.А. Роде отмечал, что содержащаяся в почвах продуктивная влага в пределах от НВ до ВЗ неравноценна для растений в отношении ее доступности и эффективности для их роста и развития. Наибольшей доступностью отличается вода, находящаяся в пределах от наименьшей влагоемкости до влажности разрыва капилляров. Этот интервал для большинства растений характеризуется оптимальными условиями водообеспеченности. От влажности разрыва капилляров до влажности завядания наблюдается замедление роста. Интересна и другая экологическая особенность оптимума влажности: чем выше влажность почвы, тем меньше воды надо для создания органического вещества. При низкой влажности больше воды расходуется на создание биомассы, чем при высокой влажности. При ВЗ эффективность использования влаги равна нулю, т. к. она вся расходуется на транспирацию.
Растения, приспособленные к избытку влаги, могут образовывать внутренние воздухоносные ткани в корнях (кукуруза, рис). Приспособление к плохой аэрации заключается в развитии неглубокой корневой системы в верхнем слое почвы, который лучше снабжается воздухом.
Важнейшей экологической характеристикой почвы является влажность устойчивого завядания или влажность завядания (ВЗ). Она характеризуется коэффициентом завядания. Его величина зависит от количества в почвах коллоидов и глинистых минералов. Почвы, богатые гумусом и тяжелые по механическому составу, отличаются более высокими значениями влажности, при которых растения начинают завядать, чем почвы песчаные и супесчаные.
Для почвоведения характерны такие парадоксы: сухая почва, находящаяся в комнате, содержит влагу. Например, в образце чернозема весом 1 кг количество воды достигает 50-60 г (5-6% гигроскопической воды). Её можно определить высушиванием в термостате. А влажная почва слитого чернозема, содержащая в 1 кг 200 г воды, физиологически является сухой, так как эта вода прочно связана и недоступна для растений.
Различные растения начинают завядать при различной влажности, т. е. влажность завядания зависит не только от свойств почвы, но и от вида растений. Всасывающая способность корней определяет уровень нижней границы доступной влаги. Растения-ксерофиты начинают завядать при более низких значениях влажности почвы.
Плодовые растения дополнительно поглощали из суглинистой и глинистой почвы 16-24%, а из песчаной – 40% того запаса, при котором устойчиво увядали все листья подсолнечника.
Засухоустойчивые растения позволяют возделывать их при весьма ограниченных запасах почвенной влаги. Например, виноград проявляет признаки массового завядания только при влажности, соответствующей максимальной гигроскопичности.
Влажность завядания зависит от плотности почвы. При уплотнении почвенного профиля резко сокращается содержание водо- и воздухопроводящих пор, в которые могли бы проникать корни растений. В то же время увеличивается количество мелких неактивных пор, содержащих непродуктивную влагу, удерживаемую почвой с давлением более 16 атмосфер. В связи с этим влажность завядания неодинакова на рыхлых и плотных почвах. При плотности 1,50-1,55 г/см3 ВЗ на 28-30% больше, по сравнению с плотностью 1,11-1,44 г/см3.
Влажность завядания служит нижней границей продуктивной влаги. Её определяют непосредственно, фиксируя влажность почвы, при которой растения начинают завядать. Используются также величины максимальной гигроскопичности:
ВЗ = к х МГ,
где МГ – максимальная гигроскопичность; к – коэффициент завядания, зависящий от растения и типа почвы. В среднем к = 1,50 для тяжелых почв и 1,25 – для легких.
У растений неодинаковое отношение к влажности завядания.
Избыток влаги в почвах, когда влажность превышает НВ, так же неблагоприятен для растений, как и недостаток влаги. В затопленных почвах не содержится воздух. Растворенный в воде кислород, поступающий из атмосферы, быстро потребляется верхним и очень тонким слоем почвы. В самой же почве образуются метан, сероводород, углекислый газ и другие ядовитые для растений соединения. Растения до некоторой степени могут приспосабливаться к недостатку кислорода.
Водные и воздушные свойства почвы тесно связаны с ее плотностью и механическим составом. При тяжелом механическом составе и повышенной плотности объем воздуха в почве резко сокращается за счет увеличения количества труднодоступной растениям влаги.
Неодинакова длительность выживания различных растений в условиях переувлажнения или затопления.
Экологический оптимум влажности почвы для нормального роста и развития неодинаков у разных групп растений. Например, для чайного куста оптимальная влажность составляет 80-90% от НВ. При влажности менее 80% начинается замедление роста. Оптимальная влажность для зерновых и корнеплодов составляет 55-70%, капусты и картофеля – 60-75 и для трав – 65-80% от полевой влагоемкости пойменных торфяных почв. А маш для оптимального роста требует только 50% от НВ.
ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВ
Газовая фаза почв или почвенный воздух – это смесь газообразных веществ, занимающая поровые пространства почвы и находящаяся в свободном, водорастворенном или адсорбированном состоянии. Почвенный воздух формируется:
· путем заполнения поровых пространств воздухом из приземного слоя атмосферы;
· в результате диффузионных процессов, как следствие различия парциальных давлений отдельных газов почвенной газовой фазы и атмосферы;
· как продукт почвенных биохимических и химических процессов, включая дыхание почвенных организмов.