Шкала биологической продуктивности по условиям климата

(по Д.М.Шашко [27])

Биологическая Продуктивность	Группа Продуктивности	Балл (Бк)	Уровень урожая зерновых при цене балла 0,23 ц/га
Очень низкая БКП 0,80	I
Низкая БКП 0,8-1,2	II	41-60	9-14
Пониженная БКП 1,2-1,6	III	61-85	14-19
Средняя БКП 1,1-1,2	IV	86-120	19-27
Повышенная	V	121-155	27-35
Высокая	VI	156-190	35-43
Очень высокая	VII	191 и выше	43 и более

Большую, а иногда и решающую роль в формировании урожая играют солнечные лучи, тепло, влага и почвенные условия в комплексе. Взаимоотношение этих факторов выражается формулой, которая с высокой точностью позволяет определить биогидротермический потенциал продуктивности (Кр) в конкретных условиях:

WTv

К_р = -------------- , (36)

36R

где W - продуктивная влага (суммарное водопотребление), мм;

Tv - период вегетации растений, декада;

R - радиационный баланс, ккал/см²;

36 - число декад в году.

Радиационный баланс обычно на 4-5% выше ФАР и составляет 52% от суммарной (прямая + рассеянная) радиации.

Так, например, при суммарной радиации за год 117,62 ккал/см² (г. Астана) радиационный баланс составляет 61,2 ккал/см². При этом продуктивной влаги для растения накапливается 260 мм (запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы 120 мм + 140 мм летние осадки). Подставив значения в формуле получим:

260 х 9,0

К_р = -------------- = 1,06

36 х 61,2

Для перехода от баллов на урожай абсолютно сухой биомассы потенциал продуктивности (Кр) умножают на коэффициент продуктивности (b):

У_биол = b Кр = 23 х 1,06 = 24,4 ц/га

После перевода урожая сухой биомассы на основную продукцию при стандартной влажности (14%) урожайность зерна составит 15,7 ц/га.

Усвоение воды почвой происходит благодаря проявлению различных сил: сорбционных, осмотических, менисковых и гравитационных. Способность почвы поглощать воду, всасывать в себя, принято называть ее сосущей силой, или всасывающим давлением (термин "сосущая сила" был предложен В.Г.Корневым). Она измеряется в сантиметрах водяного столба или в атмосферах. В настоящее время чаще используют показатель PF - логарифм потенциала почвенной влаги. Давление водяного столба 1033 см (1 атмосфера) соответствует PF = 3. Чем выше PF, тем более прочно вода удерживается почвой.

Величина сосущей силы почвы зависит от количественного содержания воды в ней и от концентрации почвенного раствора. Чем выше влажность почвы и чем меньше в ней солей, тем меньше ее всасывающая сила. Она повышается по мере иссушения почвы. Всасывающее давление полностью насыщенной водой почвы равно нулю. Для сухой почвы оно достигает величины 10⁴ атмосфер.

Всасывающее давление почвы зависит также от механического и структурного состава ее, температуры, наличия легкорастворимых солей, от размера капиллярных промежутков.

По данным С.А.Вериго и П.А.Разумовой [4], сосущая сила почвы при влажности устойчивого завядания соответствует значению PF, равному 4,2 (15 атмосфер), влажности разрыва капиллярной связи - 3,5 (3 атмосферы), наименьшей влагоемкости - 2,7 (0,5 атмосфер).

Почвенная влага, удерживаемая различными силами, характеризуется неодинаковой подвижностью, обладает разными свойствами. Водоудерживающие силы в свою очередь изменяются в зависимости от форм связи воды в почве. Различают следующие формы воды в почве, которые отличаются между собой как прочностью связи с твердой фазой почвы, так и степенью подвижности, т.е. доступностью их растениям:

а) кристаллизационная - входит в состав минералов в виде отдельных молекул, например в состав гипса - СаSO₄ · 2Н₂О;

б) конституционная - молекулы воды прочно связаны с кристаллической решеткой минерала, обычно в виде гидроксильной группы, например FеОН₃.

Эти формы воды не имеют практического значения для растений и не оказывают существенного влияния на физические свойства почв.

В составе сорбированной воды различают прочносвязанную, или гигроскопическую, и рыхлосвязанную, или пленочную.

в) гигроскопическая - удерживается на поверхности почвенных частиц силами молекулярного притяжения порядка 10-30 тысяч атмосфер, относится к категории прочносвязанной воды

При соприкосновении с воздухом, содержащим пары воды, сухая почва поглощает часть этой воды. Способность почвенных частиц поглощать воду из атмосферы окружающего воздуха называется гигроскопичностью. Гигроскопичностью обладают лишь коллоидные частицы почвы. Количество гигроскопической влаги зависит от механического состава почвы, температуры и относительной влажности воздуха, упругости водяного пара, содержания органического вещества.

г) пленочная - после полного насыщения почвенного воздуха парами воды по мере дальнейшего увеличения количества воды сверх максимальной гигроскопичности поверхность почвенных частиц покрывается водяной пленкой. Прочность связи ее с почвенными частицами, особенно наружных слоев, гораздо меньше, чем прочность связи гигроскопической воды. Она передвигается не сплошной массой, а от частицы с большей толщиной водяной пленки к частицам с меньшей толщиной водяной пленки до тех пор, пока толщина пленок вокруг обеих частиц не будет одинаковой. Ее значение состоит в том, что передвигаясь снизу вверх, она может приблизить к поверхности легкорастворимые соли. Она относится к категории рыхлосвязанной воды.

д) парообразная - водяной пар является неотъемлемой составной частью почвенного воздуха. При повышении температуры почвы часть свободной, а также сорбированной воды переходит в парообразное состояние, которое заполняет поры, свободные от жидкой воды. И, наоборот, при понижении температуры водяной пар переходит в капельно-жидкое состояние и становится доступной для растений. Содержание парообразной влаги в почве составляет порядка 0,001% от массы сухой почвы [6]. Движение парообразной влаги в почве происходит за счет изменения ее упругости вследствие температурного градиента. Пары воды перемещаются от мест с большей упругостью (с повышенной температурой) к местам с меньшей упругостью, т.е. в сторону понижающихся температур. Зимой, когда верхние слои почвы оказываются более холодными, чем нижние, происходит перегонка парообразной влаги из низших слоев в верхние. При ее конденсации верхние слои почвы дополнительно увлажняются. Аналогичное явление наблюдается в ночное время летом, когда верхние слои почвы охлаждаются и упругость водяных паров падает. По некоторым данным, в песчаных почвах пустынной зоны величина конденсации достигает за ночь до 8 мм. В степной и сухостепной зонах республики парообразная вода не имеет существенного значения в водном балансе ввиду сухости воздуха.

д) твердаявода (лед) - образование льда сопровождается увеличением его объема на 1/11 часть, что способствует разрыхлению и расчленению почвы на агрегаты. При этом крупные глыбы, образованные при механической обработке почвы, распадаются на более мелкие. Кристаллы льда способствуют также образованию трещин в почве, что повышает ее водопроницаемость и аэрацию. При 0^оС плотность льда равна 0,9168 г/см³, а воды - 0,999968 г/см³ (максимальная плотность воды при 4^оС составляет 1 г/см³);

е) капиллярная - занимает тонкие промежутки между почвенными частицами, получившими название капилляров. Она подразделяется на капиллярно-подвешенную, капиллярно-подпертую. Капиллярная влага является основным источником снабжения растений и почвенных микроорганизмов водой. Она относится к категории физически свободной воды. Капиллярная влага удерживается и передвигается в почве под влиянием капиллярных (менисковых) сил, которые начинают проявляться в порах с диаметром менее 8 мм. Особенно сильно выражены менисковые силы в порах с диаметром от 3 до 100 мк. А в порах крупнее 8 мм капиллярный момент не выражен, а слишком мелкие поры диаметром менее 3 мк заняты адсорбированной водой, вследствие чего передвижение в них капиллярной воды сильно затруднено. Наиболее подвижна капиллярная влага в средних по механическому составу почвах.

На направление и интенсивность передвижения капиллярной влаги оказывают влияние градиенты влажности и температуры почвы, химического потенциала: она передвигается из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения, из более нагретой в менее нагретую зону ( в зону повышенного поверхностного натяжения и вязкости воды), с участка с меньшим осмотическим давлением в места с высоким осмотическим давлением.

В условиях Северного Казахстана, где грунтовые воды залегают глубоко, а глубина промачивания незначительная, формирование урожая происходит за счет капиллярно-подвешенной влаги.

ж) гравитационная - при увеличении влажности почвы до предела, когда капиллярные силы не в состоянии удерживать влагу, она стекает в нижние горизонты или по уклону под влиянием сил гравитации. Для растений гравитационная вода доступна, но вследствие кратковременного нахождения ее в корнеобитаемом слое почвы она непосредственно в снабжении растений водой участвует в ограниченном количестве, но является источником образования капиллярной влаги в почве.

Вся влага, которая удерживается силами большими, чем сосущая сила корневых волосков, не доступна растениям. Сосущая сила корней у большинства сельскохозяйственных культур составляет не более 15 атмосфер. Значения влажности почвы, при переходе которых резко меняется степень связности, подвижности и доступности ее для растений принято называть почвенно-гидрологическими константами. Различают максимально адсорбционную влагоемкость (МАВ), максимальную гигроскопичность (МГ), влажность устойчивого завядания (ВУЗ), влажность разрыва капиллярной связи (ВРК), наименьшую влагоемкость (МВ), капиллярную влагоемкость (КВ) и предельно полевую влагоемкость (ППВ) (таблица 14, рисунок 10).