Полив в ландшафтном дизайне.
Зачем? Почему? Как?
Растения, как и все живые организмы на нашей планете, нуждаются в воде. Более того, вода составляет большую часть массы живых клеток, и очень часто – подавляюще большую.
При всем этом, вода нужна растениям не только как компонент их структуры, но и для многих других функций. Во-первых, вода - это универсальный растворитель, обеспечивающий перевод в растворимую, а значит, в доступную для растений форму, элементов минерального питания. В составе этого раствора, необходимые для существования растения элементы и соединения впитываются корневой системой и доставляются по транспортной системе растения до конечного потребителя.
Во-вторых, вода обеспечивает температурную регуляцию растений, охлаждая растение за счет испарения с поверхности листьев и зеленых стеблей. Это очень важно для растения, поскольку продлевает время фотосинтетической активности. Фотосинтез – очень термозависимый процесс, и, если листья нагреются выше 32о С, то он практически останавливается. Именно этим испарением, называемом физиологами растений транспирацией, и обусловлены основные объемы поглощенной растением воды. Не менее 90% поступающей из почвы воды растение расходует на транспирицию. Так, взрослое дерево березы вполне способно за жаркий летний день испарить до полтонны воды. Хвойные деревья испаряют, а значит, и потребляют, гораздо меньшие количества воды.
У травянистых растений вода обеспечивает ещё и такое состояние, как тургор. Все знают, что при недостатке воды растение завядает, или, как говорят те же физиологи – падает тургоресцентность растительной ткани. Тургор растительных клеток обеспечивает вода с растворёнными в ней веществами, находящаяся в главном запасном хранилище клетки – вакуоли, которая и составляет её, клетки, большую часть. Давление воды в вакуоли компенсируется эластичностью клеточной стенки растительной клетки. При сокращении запаса воды происходит процесс, подобный сдуванию воздушного шарика – из упругого он превращается в мягкий, неспособный сохранять свою форму.
Ну, и кроме того, вода – непременный компонент большинства биохимических процессов, происходящих в любом живом организме, в том числе – и в растении.
Содержится вода в растении в уже упомянутых вакуолях. Вы можете увидеть её безо всякого микроскопа, если снимите кожицу с дольки апельсина или грейпфрута. Под этой кожицей вы увидите веретенообразные клетки, наполненные соком – это, собственно, и есть вакуоли.
Очень непрост механизм, который обеспечивает поступление воды в растение. В его основе различие осмотического давления растительной ткани и почвенного раствора – влаги, содержащейся в почве с растворенными в ней веществами. Чем больше содержание в почвенной влаге растворимых веществ – тем выше осмотическое давление. Бывает и так, что в почве содержание растворимых веществ очень высоко – это можно наблюдать на солонцах или при неумеренном применении минеральных удобрений. В этом случае растение просто не в состоянии поглотить почвенную влагу. А воду из почвы поглощают корневые волоски – очень тонкие клеточные выросты. Вы можете их увидеть, если посмотрите на укоренившийся в воде черенок розы или, что гораздо проще, проросшую луковицу, пустившую корни в стеклянную банку с водой. На конце молодых корней образуется щеточка из множества ворсинок – корневых волосков. За их счёт всасывающая поверхность корня резко возрастает, и, в это действительно трудно поверить, но это факт, площадь поверхности корневой системы во много раз превышаем площадь надземной системы растения. Правда, многим деревьям и кустарникам в этом нелегком деле впитывания влаги помогает и коневая микориза – грибы-симбионты, которые поставляют растению почвенный раствор, а взамен получают сахара и аминокислоты для строительства собственного тела.
Впитавшаяся вода начинает своё движение к основным потребителям – листьям. И, как известно этот путь может быть очень длинным и всегда направлен против силы тяготения Земли.
Поступая диффузно в клеточные стенки корневых волосков или посредством микоризы, вода под осмотическим давлением движется по клеточным тканям корня. Эти ткани оказывают сопротивление движению воды, снижая начальное осмотическое давление. В конечном счете, вода под остаточным давлением, которое называют корневым давлением, достигает центрального цилиндра (стелы) корня, где и берет начало водная транспортная система растения – её Величество ксилема. Ксилема представляет собой сложную чрезвычайно разветвленную систему из пучков (тяжей) гидравлически связанных между собой определенным образом капилляров (сосудов, трубок) по которым движется вода. В стволе тяжи располагаются вертикально. К ним под разными углами присоединяются капиллярные тяжи боковых ветвей, которые, в свою очередь, связаны с густой капиллярной сетью листьев, которая заканчивается, достигнув межклетников. Межклетники снабжены устьицами (воротами), связывающими их с атмосферой. В эти межклетники и испаряется вода из концов капиллярной сети листьев. При этом в межклетниках поднимается давление водяного пара. При достижении некоторого давления устьица открываются, и пар выходит наружу. Но любой процесс испарения связан с понижением температуры. Вспомните, как вам, несмотря на греющее солнце, становится холодно, когда вы выходите из моря. Испаряя воду, листья, охлаждаясь, осуществляют терморегуляцию растений. Потеря испарившейся воды возмещается новыми ее порциями, поступающими из корневой системы. Этот процесс называют транспирационным током. Вместе с транспирационным током в растение из почвы поступают питательные вещества.
Ксилемы хвойных и лиственных растений устроены по-разному. Капилляры ксилемы хвойных растений состоят из цепочек трахеид. Трахеиды представляют собой капилляры высотой от 2,5 до 5 мм и диаметром от 10 до 50 микрон. Трахеиды соприкасаются между собой своими клиновидными концами. Гидравлическая связь между соседними трахеидами осуществляется через десятки окаймленных пор с торусом, которые связывают смежные трахеиды между собой. В отличие от хвойных, ксилема лиственных деревьев состоит из сосудов, связанных между собой многочисленными окаймлёнными порами без торуса, имеющимися на их поверхности. Диаметр сосудов лежит в пределах 50 … 700 микрон. Длина сосудов значительно больше, чем у трахеид и может достигать нескольких метров. А в лианах их длина может достигать нескольких десятков метров.
Реальная высота подъема воды в ксилемах хвойных и лиственных растений природе может достигать нескольких десятков, а в отдельных случаях сотни метров. А это противоречит законам классической физики. Согласно этим законам вода в прямолинейном вертикальном капилляре с внутренним радиусом 25….400 микрон не может подняться выше, чем соответственно 0,64…0,08 метра, что противоречит действительности.
Как же деревьям удается преодолеть законы физики и поднимать воду на большие высоты?
Реальная ветвящаяся ксилема чрезвычайно сложна и производить какие - либо расчеты не возможно. Но можно упростить задачу, если вместо реального дерева построить модель, содержащую вертикальный капилляр (ствол) и соединённые с ним, как у дерева, в разных уровнях боковые, наклоненные под углами, капилляры (ветви). Далее нужно понять, как действуют силы в такой модели.
Для ответа на этот вопрос рассмотрим, какие силы обеспечивают подъем воды в капилляре. Из курса физики известно, что вода в капилляре поднимается под действием направленной вертикально вверх силы поверхностного натяжения в мениске капилляра. Подъём воды прекращается, когда эта сила становится равной весу столба поднятой ею воды. Но это справедливо только для простого одиночного капилляра. Но в капиллярной системе, содержащей центральный вертикальный и гидравлически связанные с ним боковые капилляры, это происходит по другому. Во всех капиллярах такой системы имеются мениски, в которых действуют силы поверхностного натяжения. Эти силы не зависимы друг от друга, направлены под углом к горизонтали, а их величина определяется только внутренним диаметром капилляра. Но поскольку в боковых наклонных капиллярах силы поверхностного натяжения направлены под углом к горизонтали, то по законам физики, одна часть этих сил затрачивается на продвижение воды вдоль капилляра, а другая часть оказывается направленной вертикально вверх и приложена к объему воды в вертикальном капилляре. Таким образом, в вертикальном капилляре действует не одна, а сумма направленных вверх сил. Сколько ветвей, столько и дополнительных сил. Это и обеспечивает возможность аномально высокого, вопреки законам физики, подъема воды в деревьях.
К сожалению, невозможно ответить на вопрос о том, как деревья научились строить подобные системы или кто написал им такую программу строительства.
Но подъему воды в деревьях также способствуют силы, порождаемые корневым давлением. Какой же силе отдать приоритет в вопросе обеспечения подъема воды?
Физиологи растений экспериментально установили, что максимальная величина корневого давления не превосходит 0,15 МПа или же, что одно и то же, 1,5 Бара. Это всё то, что максимально может остаться от осмотического давления при поступлении воды в корень. Большая его часть тратится на преодоление сопротивления тканей при продвижении воды в стелу корня, где и берет начало ксилема. Но величина корневого давления не постоянна и зависит от соотношения концентрации минеральных и органических веществ и влаги в почве и в корне. Так при равенстве концентраций корневое давления может стать равным нулю и даже отрицательным, как на солончаках, когда содержание минеральных веществ в почве выше, чем корне.
На поверхности листьев взрослого дерева может находиться до 10 миллионов устьиц, каждое из которых окружено клетками паренхимы листа таким образом, что под ним, устьицем, формируется полость – межклеточное пространство, или, на профессиональном жаргоне – межклетник. Полагая, что к каждому межклетнику подходит минимум один капилляр, в котором имеется мениск, и учитывая, что силы поверхностного натяжения в менисках независимы и ксилема – цельная гидравлически связанная система, можно утверждать, что все эти силы прямо и опосредованно приложены к стеле корня. Численная оценка (которая здесь не приводится) показала, что суммарная величина этой силы минимум в 4000 раз больше, чем сила, создаваемая корневым давлением. Этим всё сказано.
Вот так Природа строит свои биологические системы.
А ещё растения неравнодушны к температуре воды. Особенно заметно это при дождевании колодной водой из колодца или скважины. Если температура поливной воды отличается от температуры внешней среды в любую сторону более, чем на 5 С, то растения воспринимают это как стрессовый фактор.
Поступление воды в корневую систему зависит от температуры почвы. На холодных почвах, несмотря на достаточное количество воды, растения испытывают её недостаток, так как при низких температурах угнетается дыхание и нарушается снабжение клеток энергией, необходимой для поглощения солей и, следовательно, поступления воды. В результате у растений формируется структура, характерная для сухих жарких мест. Это состояние, при котором растение испытывает водный дефицит при достаточном ее количестве в окружающей среде, называется физиологической засухой.
Особенно сильно на понижение температуры почвы реагируют теплолюбивые растения, у которых поступление воды прекращается при 5 С, тогда как деревья в тундре поглощают ее и при 0 С. Это следует учитывать при выращивании южных культур в северных широтах.
Величина температуры воды в скважине находится в пределах 4-6 градусов Цельсия. Вязкость воды при таких температурах в 1,5 раза выше, чем при 20 градусов цельсия. При понижении температуры воды повышается вязкость протоплазмы во всасывающих клетках корня, что приводит к замедлению ее поступления в корень. В литературных источниках по физиологии растений также указывается, что транспирация происходит в 1500 раз быстрее, чем поступление воды в корень. Следовательно, понижение температуры и связанное с этим увеличение ее вязкости, еще больше снижает скорость получения ее корнем.
Кроме того, при резком понижении температуры почвы наблюдается увядание растений, приводящее к нарушению многих физиологических процессов: закрываются устьица, уменьшаются испарение воды и фотосинтез, задерживаются поступление минеральных веществ (главным образом азота) и переработка поступивших в клетку веществ.
Поэтому при использовании для полива воды из скважины без ее предварительного подогрева, резко охлаждается почва и следует задуматься о возможных негативных последствиях для растений такого действа.
Наименее чувствителен к такой перемене температуры газон, наиболее – розы и огурцы. Прочие овощные и травянистые многолетники то же не одобряют такой полив, но хотя бы не замирают надолго в росте.
Чаще всего вода поступает в растение из пролившегося дождя. По аналогии с дождем построена и традиционная система полива растений – вода падает сверху. А вот хорошо ли это? Конечно, теплый летний дождь после жаркого дня – это великое благо для растений, но, как всегда, без негатива тоже обойтись нельзя. А именно – при дожде происходить потеря структуры почвенными агломератами в верхнем слое почвы. Они рассыпаются на отдельные мелкие частицы, и происходит переуплотнение почвы. Часто это можно наблюдать как корку с трещинами. Ни вода, ни воздух в этом случае поступать к корням растений в необходимом им количестве просто не в состоянии. Именно поэтому, на следующий день после обильного дождя необходимо разрыхлить верхний слой почвы.
Ещё один неприятный момент при дождевании – распространение спор патогенных грибов. Именно в капле влаги на листе происходит прорастание споры и её внедрение в ткани растения.
Но даже этим, неприятные моменты, связанные с дождеванием не заканчиваются. Самое главное, что при частых необильных поливах, когда влага остаётся только в поверхностном слое почвы, корневая система растений также располагается близко к поверхности. И летом – это нормально. Но вот в декабре, когда приходят серьёзные морозы, а снежного покрова, защищающего почву от промерзания пока ещё нет, то корни у поверхности почвы будут сильно повреждаться морозом. Ведь именно корень – наименее защищенный орган растения. Поэтому, в начале вегетационного периода лучше всего поливать растения обильно, но редко. Так, чтобы поверхностный слой почвы периодически пересыхал, а вода опускалась в нижние горизонты почвы, провоцирую развитие корневой системы в том же направлении.
И вообще, на месте растения, мы бы однозначно предпочли бы капельный полив. Умеренный, выверенный по ближайшему датчику влажности почвы, таким образом, чтобы избыточная вода не мешала проникновению к корням воздуха. Ведь вода вытесняет воздух из почвенных пор, а воздух необходим для нормального обмена веществ в растении, и именно в корнях происходит большинство реакций трансформации веществ, необходимых растению, а для этого крайне необходим окислитель, то есть кислород воздуха. Это очень хорошо заметно на примере комнатных растений, которые часто страдают от неумеренного полива.
При капельном поливе не надо бояться ни разницы в температуре поливной воды и окружающей среды, ведь по пути к корням вода нагреется до температуры почвы. Да и почвенная корка при таком поливе то же не образуется.
Но и от дождевания растения бы то же не отказались. Особенно в жаркую погоду, когда необходимо сбить температуру почвы и листвы.
Одной из серьезных проблем в практике ландшафтного дизайна является предотвращение солнечных ожогов, часто приводящих к гибели растений. растений. Солнечные ожоги – повсеместное явление, от которого может пострадать практически любое дерево или кустарник. Солнечные ожоги могут возникать как зимой, так и летом. Им подвержены и хвойные и лиственные растения.
Существует ошибочное мнение, что хвойные растения крайне выносливы и устойчивы и к солнцу, и к морозам, и к засухе, а поэтому почти не нуждаются в уходе. Но это далеко не так. Декоративные хвойные растения могут, “сгореть”, в конце зимы, ранней весной, а также летом. Последнее характерно для южных регионов страны, а также при запоздалой посадке саженцев в открытый грунт, пока растения не успевают адаптироваться к жаре и жгучему солнцу. Иногда урон деревьям могут нанести даже несколько солнечных дней февраля.
Какие растения входят в группу риска?
Молодые деревья и кустарники, недавно купленные и посаженные. Их уязвимость объясняется тем, что в питомнике стволы и кроны формируются в тени и достаточно изнежены. Пересадка на новое место и первая зимовка в новых условиях – серьезное испытание для саженца.
Деревья с тонкой корой и теплолюбивые индродуценты. Например, в Московской области и севернее распространены морозобоины стволов конских каштанов. Сильно повреждаются многие ивы, клены, попавшие на наши участки из европейских питомников, саженцы яблонь, выращенные на юге Центральной России.
Деревья, посаженные на солнечных местах. Например, яблоня на южной окраине сада при прочих равных условиях подвержена большей опасности по сравнению с деревьями в глубине сада.
Все деревья, не получившие насыщающий влагозарядный полив в осенний период.
Все деревья и кустарники, не получающие в период вегетации достаточного количества воды.
В чем же виновато солнце?
Зимние солнечные ожоги растений. Появляются в начале весны, когда пасмурная погода сменяется солнечными днями. Весной интенсивность солнечной инсоляции очень высокая. В начале марта земля еще глубоко проморожена. Но под яркими солнечными лучами в хвое начинает активно идти фотосинтез, для которого требуется вода. Но корни растений не могут извлекать из замерзшей почвы влагу и передавать ее ветвям, а «разбуженные» солнцем ветки начинают активно развиваться, что сильно истощает и обезвоживает растения. Нарастание новых хвоинок требует много влаги, а ее-то материнское растение не получает из почвы. Дефицит влаги в это время приводит к иссушению дерева, пожелтению и опадению старой хвои, и иссушению и гибели даже целых ветвей. Особенно подвержены этому участки кроны, ориентированные в северном полушарии Земного шара на юг и юго-запад. В южном полушарии солнечные ожоги локализуются с северной стороны. Солнечные ожоги от первых лучей могут возникать на любых видах хвойников, особенно этому подвержены ели, некоторые можжевельники и самые распространённые из-за своей доступности и декоративности туи. Риск обгорания крон хвойников усиливается при посадке деревьев возле светлых зданий или заборов, а также при длительном сохранении снежного покрова.
Возможно появление ожогов корневой шейки молодых растений. Деревце белеет с южной стороны, кора на стволике сморщивается. Растения поникает – наклоняется к югу. Корни при этом остаются здоровыми. В этот же период растение может быть повреждено и морозами. Подмерзают обычно кончики молодых побегов, часто гибнут распускающиеся почки. Морозы также могут быть и причиной ожогов. Корни многих хвойников располагаются в верхнем слое почвы. При ее промерзании вся питающая система растений выдавливается, и дерево остается на ограниченном питании. В результате ветви не получают влагу, иссушаются и гибнут.
Среди комплекса защитных и реабилитационных зимне - весенних послеожоговых мероприятий наиболее важными и эффективными являются обильные водные процедуры.
Хвойные растения, в отличие от лиственных, никогда полностью не засыпают. Даже зимой они продолжают дышать – вырабатывать кислород, формировать хлорофилловые бляшки. В период потеплений – на солнце или под воздействием южных ветров, растения активизируют деятельность. При этом хвоя испаряет воду, а спящие корни ее не подают. Чтобы потери влаги не были для деревьев катастрофическими, их обильно поят осенью – проводят насыщающий влагозарядный полив. Если растения высажены неудачно – на ветреных участках, без притенения – их следует поливать и весной. Не дожидаясь, пока снег вокруг дерева сам растает, следует откопать его от дерева, а почву пролить теплой водой. Положительный эффект возникает по следующим причинам. Отражательная способность снега составляет 70-80%, а открытой земли 10-20%. Следовательно, снижается суммарное количество солнечной энергии, поступающей в крону дерева, а теплая вода позволяет растению получить воду, необходимую ему для нормальной жизнедеятельности в этот период. Так можно помочь растению избежать обезвоживания и обгорания хвои. К тому же земляной ком от воды растает быстрее, и растение сможет получать влагу из почвы. Полив следует производить утром, чтобы избежать ночных заморозков, из-за которых вода может замерзнуть и не принести никакой пользы. На небольшую тую высотой 2 – 2,5 м понадобится примерно 10 литров воды.
Против заморозков применяют дождевание и туманные завесы. Дождеватели и туманообразующие форсунки устанавливают на таком расстоянии друг от друга, чтобы деревья покрывались каплями воды одновременно со всех сторон. Обязательное условие дождевания — тщательность и непрерывность подачи воды в течение заморозка.
Кроме того для хвойных растений в ранневесенний период в качестве меры защиты очень полезны опрыскивания или обливания кроны водой. В этот период корни ещё не «проснулись» и не восполняют в полной мере запас влаги у растений, поэтому поступление её через крону помогает им адаптироваться к непростым условиям. Опрыскивания следует начинать после схода снега. Также в это время начинают и активный полив растений. Поливают тёплой водой. Пока почва не оттает (признаком этого является то, что вода не впитывается, а растекается) полив осуществляют небольшими порциями.
Летние солнечные ожоги растений. В теплое время на фоне высоких температур воздуха могут развиваться два вида летних солнечных ожогов: фотодинамические (ЛФСО) и тепловые (ЛТСО). Физиологическая причина образования ЛФСО та же, что и зимних солнечных ожогов. Но в отличии от зимы, летом процесс фотосинтеза в тканях коры деревьев тормозится высокими температурами. Для основных плодовых культур это температура 40…50 градусов Цельсия. ЛТСО образуется при более высоких температурах – около 52…55 градусов Цельсия, когда превышается порог жаростойкости тканей коры и повреждения возникают вне зависимости от того, проницаемы для света или нет покровные ткани коры. В летний период солнечным ожогам более подвержены молодые деревья и части крон. Штамбики молодых деревьев могут получить ЛТСО от контакта с поверхностью почвы, сильно нагреваемой солнечными лучами.
Для открытых прямому солнцу частей деревьев с хорошей облиственностью кроны при нормальном увлажнении почвы солнечное нагревание опасности не представляет, так как восходящий транспирационный ток воды охлаждает ткани коры до уровня, при котором невозможно развитие ка ЛФСО, так и ЛТСО.
Летние солнечные ожоги образуются, если деревья по разным причинам слабо облиственны или листьев у них вовсе нет, что бывает у вновь посаженных саженцев или пересаженных деревьев, поврежденных морозами, зимними солнечными ожогами, болезнями, вредителями и во время затяжной засухи.
Летние солнечные ожоги плодовых деревьев более часто наблюдаются в южных районах страны. Но они могут часто возникать как в переходных зонах, так и в годы в северных регионах.
Защитным мероприятием от летних солнечных ожогов является постоянное поддержание влажности почвы в зоне корневой системы на достаточном уровне. Это обеспечивает восходящий транспирационный более холодный поток воды из корневой системы по стволам и веткам растения, что приводит к их охлаждению на 15-20 градусов Цельсия. И ЛФСО и ЛТСО не происходят.
При проектировании ландшафтного дизайна, кроме необходимости полива растений, следует предусмотреть комфортное обитание их надземных частей, а так же создания комфортных рекреационных зон в ландшафте. В жаркий климатический период высокие температуры воздуха могут отрицательно воздействовать и на растения, и на человека.
Для создания комфортных условий в мире используют системы испарительного охлаждения высокого давления. Принцип испарительного охлаждения состоит в периодическом распылении на открытой территории и закрытых пространствах в защищаемой от высоких температур воздуха зоне мелкодисперсного водного аэрозоля – ультратонкого тумана. В этом тумане содержатся миллионы мельчайших капелек воды.
За счет тепла окружающей среды мелкие капли воды немедленно испаряются в нагретом воздухе и превращаются в пар, не смачивая поверхности и предметы.
Затраты тепловой энергии, требуемой для перевода капель в парообразное состояние, приводят к снижению температуры воздуха и повышению влажности. Величина снижения температуры при этом зависит от относительной влажности воздуха. Можно достигнуть снижения температуры воздуха в зоне действия испарительного охлаждения до 10 – 15 градусов Цельсия.
Системы испарительного охлаждения могут использоваться на: местах отдыха и развлечений в парках, аквапарках, террасах и беседках в коттеджах, возле бассейнов, в зимних садах, в розариях на открытой территории и других объектах обеспечения населения продуктами питания и не только. Каким цветущим краем можно сделать наш Крым при достаточном количестве воды для полива! Каким цветущим краем стали и становятся регионы в центральной Азии, когда удаётся подвести туда воду! Вот только это далеко не всегда так просто. По прогнозам климатологов, Вода определяет возможности выращивания растений – а, следовательно, и человечество уже в обозримом будущем может оказаться перед проблемой дефицита пресной воды, поэтому одним из важных векторов развития науки о поливе (а как Вы могли понять из нашей статьи – полив это серьёзная наука!) и поливной техники (что то же совсем не просто!) становится рациональное использование воды. Ведь избыточное увлажнение – это не только потеря воды, но и угнетение растений.
Правильно организованный полив – залог здоровья, комфорта и благополучия растений и человека.
Авторы статьи:
Кипнис И.А. Калашников Д.В.
Зам. Генерального директора Зав. кафедрой ландшафтной
по науке ООО «Научно – архитектуры МСХА им.
производственной фирмы им. К. А. Тимирязева,
КАСИОР», кандидат технических кандидат с-х наук, доцент.
наук, член-корреспондент МАНЭБ.
Зачем? Почему? Как?
Растения, как и все живые организмы на нашей планете, нуждаются в воде. Более того, вода составляет большую часть массы живых клеток, и очень часто – подавляюще большую.
При всем этом, вода нужна растениям не только как компонент их структуры, но и для многих других функций. Во-первых, вода - это универсальный растворитель, обеспечивающий перевод в растворимую, а значит, в доступную для растений форму, элементов минерального питания. В составе этого раствора, необходимые для существования растения элементы и соединения впитываются корневой системой и доставляются по транспортной системе растения до конечного потребителя.
Во-вторых, вода обеспечивает температурную регуляцию растений, охлаждая растение за счет испарения с поверхности листьев и зеленых стеблей. Это очень важно для растения, поскольку продлевает время фотосинтетической активности. Фотосинтез – очень термозависимый процесс, и, если листья нагреются выше 32о С, то он практически останавливается. Именно этим испарением, называемом физиологами растений транспирацией, и обусловлены основные объемы поглощенной растением воды. Не менее 90% поступающей из почвы воды растение расходует на транспирицию. Так, взрослое дерево березы вполне способно за жаркий летний день испарить до полтонны воды. Хвойные деревья испаряют, а значит, и потребляют, гораздо меньшие количества воды.
У травянистых растений вода обеспечивает ещё и такое состояние, как тургор. Все знают, что при недостатке воды растение завядает, или, как говорят те же физиологи – падает тургоресцентность растительной ткани. Тургор растительных клеток обеспечивает вода с растворёнными в ней веществами, находящаяся в главном запасном хранилище клетки – вакуоли, которая и составляет её, клетки, большую часть. Давление воды в вакуоли компенсируется эластичностью клеточной стенки растительной клетки. При сокращении запаса воды происходит процесс, подобный сдуванию воздушного шарика – из упругого он превращается в мягкий, неспособный сохранять свою форму.
Ну, и кроме того, вода – непременный компонент большинства биохимических процессов, происходящих в любом живом организме, в том числе – и в растении.
Содержится вода в растении в уже упомянутых вакуолях. Вы можете увидеть её безо всякого микроскопа, если снимите кожицу с дольки апельсина или грейпфрута. Под этой кожицей вы увидите веретенообразные клетки, наполненные соком – это, собственно, и есть вакуоли.
Очень непрост механизм, который обеспечивает поступление воды в растение. В его основе различие осмотического давления растительной ткани и почвенного раствора – влаги, содержащейся в почве с растворенными в ней веществами. Чем больше содержание в почвенной влаге растворимых веществ – тем выше осмотическое давление. Бывает и так, что в почве содержание растворимых веществ очень высоко – это можно наблюдать на солонцах или при неумеренном применении минеральных удобрений. В этом случае растение просто не в состоянии поглотить почвенную влагу. А воду из почвы поглощают корневые волоски – очень тонкие клеточные выросты. Вы можете их увидеть, если посмотрите на укоренившийся в воде черенок розы или, что гораздо проще, проросшую луковицу, пустившую корни в стеклянную банку с водой. На конце молодых корней образуется щеточка из множества ворсинок – корневых волосков. За их счёт всасывающая поверхность корня резко возрастает, и, в это действительно трудно поверить, но это факт, площадь поверхности корневой системы во много раз превышаем площадь надземной системы растения. Правда, многим деревьям и кустарникам в этом нелегком деле впитывания влаги помогает и коневая микориза – грибы-симбионты, которые поставляют растению почвенный раствор, а взамен получают сахара и аминокислоты для строительства собственного тела.
Впитавшаяся вода начинает своё движение к основным потребителям – листьям. И, как известно этот путь может быть очень длинным и всегда направлен против силы тяготения Земли.
Поступая диффузно в клеточные стенки корневых волосков или посредством микоризы, вода под осмотическим давлением движется по клеточным тканям корня. Эти ткани оказывают сопротивление движению воды, снижая начальное осмотическое давление. В конечном счете, вода под остаточным давлением, которое называют корневым давлением, достигает центрального цилиндра (стелы) корня, где и берет начало водная транспортная система растения – её Величество ксилема. Ксилема представляет собой сложную чрезвычайно разветвленную систему из пучков (тяжей) гидравлически связанных между собой определенным образом капилляров (сосудов, трубок) по которым движется вода. В стволе тяжи располагаются вертикально. К ним под разными углами присоединяются капиллярные тяжи боковых ветвей, которые, в свою очередь, связаны с густой капиллярной сетью листьев, которая заканчивается, достигнув межклетников. Межклетники снабжены устьицами (воротами), связывающими их с атмосферой. В эти межклетники и испаряется вода из концов капиллярной сети листьев. При этом в межклетниках поднимается давление водяного пара. При достижении некоторого давления устьица открываются, и пар выходит наружу. Но любой процесс испарения связан с понижением температуры. Вспомните, как вам, несмотря на греющее солнце, становится холодно, когда вы выходите из моря. Испаряя воду, листья, охлаждаясь, осуществляют терморегуляцию растений. Потеря испарившейся воды возмещается новыми ее порциями, поступающими из корневой системы. Этот процесс называют транспирационным током. Вместе с транспирационным током в растение из почвы поступают питательные вещества.
Ксилемы хвойных и лиственных растений устроены по-разному. Капилляры ксилемы хвойных растений состоят из цепочек трахеид. Трахеиды представляют собой капилляры высотой от 2,5 до 5 мм и диаметром от 10 до 50 микрон. Трахеиды соприкасаются между собой своими клиновидными концами. Гидравлическая связь между соседними трахеидами осуществляется через десятки окаймленных пор с торусом, которые связывают смежные трахеиды между собой. В отличие от хвойных, ксилема лиственных деревьев состоит из сосудов, связанных между собой многочисленными окаймлёнными порами без торуса, имеющимися на их поверхности. Диаметр сосудов лежит в пределах 50 … 700 микрон. Длина сосудов значительно больше, чем у трахеид и может достигать нескольких метров. А в лианах их длина может достигать нескольких десятков метров.
Реальная высота подъема воды в ксилемах хвойных и лиственных растений природе может достигать нескольких десятков, а в отдельных случаях сотни метров. А это противоречит законам классической физики. Согласно этим законам вода в прямолинейном вертикальном капилляре с внутренним радиусом 25….400 микрон не может подняться выше, чем соответственно 0,64…0,08 метра, что противоречит действительности.
Как же деревьям удается преодолеть законы физики и поднимать воду на большие высоты?
Реальная ветвящаяся ксилема чрезвычайно сложна и производить какие - либо расчеты не возможно. Но можно упростить задачу, если вместо реального дерева построить модель, содержащую вертикальный капилляр (ствол) и соединённые с ним, как у дерева, в разных уровнях боковые, наклоненные под углами, капилляры (ветви). Далее нужно понять, как действуют силы в такой модели.
Для ответа на этот вопрос рассмотрим, какие силы обеспечивают подъем воды в капилляре. Из курса физики известно, что вода в капилляре поднимается под действием направленной вертикально вверх силы поверхностного натяжения в мениске капилляра. Подъём воды прекращается, когда эта сила становится равной весу столба поднятой ею воды. Но это справедливо только для простого одиночного капилляра. Но в капиллярной системе, содержащей центральный вертикальный и гидравлически связанные с ним боковые капилляры, это происходит по другому. Во всех капиллярах такой системы имеются мениски, в которых действуют силы поверхностного натяжения. Эти силы не зависимы друг от друга, направлены под углом к горизонтали, а их величина определяется только внутренним диаметром капилляра. Но поскольку в боковых наклонных капиллярах силы поверхностного натяжения направлены под углом к горизонтали, то по законам физики, одна часть этих сил затрачивается на продвижение воды вдоль капилляра, а другая часть оказывается направленной вертикально вверх и приложена к объему воды в вертикальном капилляре. Таким образом, в вертикальном капилляре действует не одна, а сумма направленных вверх сил. Сколько ветвей, столько и дополнительных сил. Это и обеспечивает возможность аномально высокого, вопреки законам физики, подъема воды в деревьях.
К сожалению, невозможно ответить на вопрос о том, как деревья научились строить подобные системы или кто написал им такую программу строительства.
Но подъему воды в деревьях также способствуют силы, порождаемые корневым давлением. Какой же силе отдать приоритет в вопросе обеспечения подъема воды?
Физиологи растений экспериментально установили, что максимальная величина корневого давления не превосходит 0,15 МПа или же, что одно и то же, 1,5 Бара. Это всё то, что максимально может остаться от осмотического давления при поступлении воды в корень. Большая его часть тратится на преодоление сопротивления тканей при продвижении воды в стелу корня, где и берет начало ксилема. Но величина корневого давления не постоянна и зависит от соотношения концентрации минеральных и органических веществ и влаги в почве и в корне. Так при равенстве концентраций корневое давления может стать равным нулю и даже отрицательным, как на солончаках, когда содержание минеральных веществ в почве выше, чем корне.
На поверхности листьев взрослого дерева может находиться до 10 миллионов устьиц, каждое из которых окружено клетками паренхимы листа таким образом, что под ним, устьицем, формируется полость – межклеточное пространство, или, на профессиональном жаргоне – межклетник. Полагая, что к каждому межклетнику подходит минимум один капилляр, в котором имеется мениск, и учитывая, что силы поверхностного натяжения в менисках независимы и ксилема – цельная гидравлически связанная система, можно утверждать, что все эти силы прямо и опосредованно приложены к стеле корня. Численная оценка (которая здесь не приводится) показала, что суммарная величина этой силы минимум в 4000 раз больше, чем сила, создаваемая корневым давлением. Этим всё сказано.
Вот так Природа строит свои биологические системы.
А ещё растения неравнодушны к температуре воды. Особенно заметно это при дождевании колодной водой из колодца или скважины. Если температура поливной воды отличается от температуры внешней среды в любую сторону более, чем на 5 С, то растения воспринимают это как стрессовый фактор.
Поступление воды в корневую систему зависит от температуры почвы. На холодных почвах, несмотря на достаточное количество воды, растения испытывают её недостаток, так как при низких температурах угнетается дыхание и нарушается снабжение клеток энергией, необходимой для поглощения солей и, следовательно, поступления воды. В результате у растений формируется структура, характерная для сухих жарких мест. Это состояние, при котором растение испытывает водный дефицит при достаточном ее количестве в окружающей среде, называется физиологической засухой.
Особенно сильно на понижение температуры почвы реагируют теплолюбивые растения, у которых поступление воды прекращается при 5 С, тогда как деревья в тундре поглощают ее и при 0 С. Это следует учитывать при выращивании южных культур в северных широтах.
Величина температуры воды в скважине находится в пределах 4-6 градусов Цельсия. Вязкость воды при таких температурах в 1,5 раза выше, чем при 20 градусов цельсия. При понижении температуры воды повышается вязкость протоплазмы во всасывающих клетках корня, что приводит к замедлению ее поступления в корень. В литературных источниках по физиологии растений также указывается, что транспирация происходит в 1500 раз быстрее, чем поступление воды в корень. Следовательно, понижение температуры и связанное с этим увеличение ее вязкости, еще больше снижает скорость получения ее корнем.
Кроме того, при резком понижении температуры почвы наблюдается увядание растений, приводящее к нарушению многих физиологических процессов: закрываются устьица, уменьшаются испарение воды и фотосинтез, задерживаются поступление минеральных веществ (главным образом азота) и переработка поступивших в клетку веществ.
Поэтому при использовании для полива воды из скважины без ее предварительного подогрева, резко охлаждается почва и следует задуматься о возможных негативных последствиях для растений такого действа.
Наименее чувствителен к такой перемене температуры газон, наиболее – розы и огурцы. Прочие овощные и травянистые многолетники то же не одобряют такой полив, но хотя бы не замирают надолго в росте.
Чаще всего вода поступает в растение из пролившегося дождя. По аналогии с дождем построена и традиционная система полива растений – вода падает сверху. А вот хорошо ли это? Конечно, теплый летний дождь после жаркого дня – это великое благо для растений, но, как всегда, без негатива тоже обойтись нельзя. А именно – при дожде происходить потеря структуры почвенными агломератами в верхнем слое почвы. Они рассыпаются на отдельные мелкие частицы, и происходит переуплотнение почвы. Часто это можно наблюдать как корку с трещинами. Ни вода, ни воздух в этом случае поступать к корням растений в необходимом им количестве просто не в состоянии. Именно поэтому, на следующий день после обильного дождя необходимо разрыхлить верхний слой почвы.
Ещё один неприятный момент при дождевании – распространение спор патогенных грибов. Именно в капле влаги на листе происходит прорастание споры и её внедрение в ткани растения.
Но даже этим, неприятные моменты, связанные с дождеванием не заканчиваются. Самое главное, что при частых необильных поливах, когда влага остаётся только в поверхностном слое почвы, корневая система растений также располагается близко к поверхности. И летом – это нормально. Но вот в декабре, когда приходят серьёзные морозы, а снежного покрова, защищающего почву от промерзания пока ещё нет, то корни у поверхности почвы будут сильно повреждаться морозом. Ведь именно корень – наименее защищенный орган растения. Поэтому, в начале вегетационного периода лучше всего поливать растения обильно, но редко. Так, чтобы поверхностный слой почвы периодически пересыхал, а вода опускалась в нижние горизонты почвы, провоцирую развитие корневой системы в том же направлении.
И вообще, на месте растения, мы бы однозначно предпочли бы капельный полив. Умеренный, выверенный по ближайшему датчику влажности почвы, таким образом, чтобы избыточная вода не мешала проникновению к корням воздуха. Ведь вода вытесняет воздух из почвенных пор, а воздух необходим для нормального обмена веществ в растении, и именно в корнях происходит большинство реакций трансформации веществ, необходимых растению, а для этого крайне необходим окислитель, то есть кислород воздуха. Это очень хорошо заметно на примере комнатных растений, которые часто страдают от неумеренного полива.
При капельном поливе не надо бояться ни разницы в температуре поливной воды и окружающей среды, ведь по пути к корням вода нагреется до температуры почвы. Да и почвенная корка при таком поливе то же не образуется.
Но и от дождевания растения бы то же не отказались. Особенно в жаркую погоду, когда необходимо сбить температуру почвы и листвы.
Одной из серьезных проблем в практике ландшафтного дизайна является предотвращение солнечных ожогов, часто приводящих к гибели растений. растений. Солнечные ожоги – повсеместное явление, от которого может пострадать практически любое дерево или кустарник. Солнечные ожоги могут возникать как зимой, так и летом. Им подвержены и хвойные и лиственные растения.
Существует ошибочное мнение, что хвойные растения крайне выносливы и устойчивы и к солнцу, и к морозам, и к засухе, а поэтому почти не нуждаются в уходе. Но это далеко не так. Декоративные хвойные растения могут, “сгореть”, в конце зимы, ранней весной, а также летом. Последнее характерно для южных регионов страны, а также при запоздалой посадке саженцев в открытый грунт, пока растения не успевают адаптироваться к жаре и жгучему солнцу. Иногда урон деревьям могут нанести даже несколько солнечных дней февраля.
Какие растения входят в группу риска?
Молодые деревья и кустарники, недавно купленные и посаженные. Их уязвимость объясняется тем, что в питомнике стволы и кроны формируются в тени и достаточно изнежены. Пересадка на новое место и первая зимовка в новых условиях – серьезное испытание для саженца.
Деревья с тонкой корой и теплолюбивые индродуценты. Например, в Московской области и севернее распространены морозобоины стволов конских каштанов. Сильно повреждаются многие ивы, клены, попавшие на наши участки из европейских питомников, саженцы яблонь, выращенные на юге Центральной России.
Деревья, посаженные на солнечных местах. Например, яблоня на южной окраине сада при прочих равных условиях подвержена большей опасности по сравнению с деревьями в глубине сада.
Все деревья, не получившие насыщающий влагозарядный полив в осенний период.
Все деревья и кустарники, не получающие в период вегетации достаточного количества воды.
В чем же виновато солнце?
Зимние солнечные ожоги растений. Появляются в начале весны, когда пасмурная погода сменяется солнечными днями. Весной интенсивность солнечной инсоляции очень высокая. В начале марта земля еще глубоко проморожена. Но под яркими солнечными лучами в хвое начинает активно идти фотосинтез, для которого требуется вода. Но корни растений не могут извлекать из замерзшей почвы влагу и передавать ее ветвям, а «разбуженные» солнцем ветки начинают активно развиваться, что сильно истощает и обезвоживает растения. Нарастание новых хвоинок требует много влаги, а ее-то материнское растение не получает из почвы. Дефицит влаги в это время приводит к иссушению дерева, пожелтению и опадению старой хвои, и иссушению и гибели даже целых ветвей. Особенно подвержены этому участки кроны, ориентированные в северном полушарии Земного шара на юг и юго-запад. В южном полушарии солнечные ожоги локализуются с северной стороны. Солнечные ожоги от первых лучей могут возникать на любых видах хвойников, особенно этому подвержены ели, некоторые можжевельники и самые распространённые из-за своей доступности и декоративности туи. Риск обгорания крон хвойников усиливается при посадке деревьев возле светлых зданий или заборов, а также при длительном сохранении снежного покрова.
Возможно появление ожогов корневой шейки молодых растений. Деревце белеет с южной стороны, кора на стволике сморщивается. Растения поникает – наклоняется к югу. Корни при этом остаются здоровыми. В этот же период растение может быть повреждено и морозами. Подмерзают обычно кончики молодых побегов, часто гибнут распускающиеся почки. Морозы также могут быть и причиной ожогов. Корни многих хвойников располагаются в верхнем слое почвы. При ее промерзании вся питающая система растений выдавливается, и дерево остается на ограниченном питании. В результате ветви не получают влагу, иссушаются и гибнут.
Среди комплекса защитных и реабилитационных зимне - весенних послеожоговых мероприятий наиболее важными и эффективными являются обильные водные процедуры.
Хвойные растения, в отличие от лиственных, никогда полностью не засыпают. Даже зимой они продолжают дышать – вырабатывать кислород, формировать хлорофилловые бляшки. В период потеплений – на солнце или под воздействием южных ветров, растения активизируют деятельность. При этом хвоя испаряет воду, а спящие корни ее не подают. Чтобы потери влаги не были для деревьев катастрофическими, их обильно поят осенью – проводят насыщающий влагозарядный полив. Если растения высажены неудачно – на ветреных участках, без притенения – их следует поливать и весной. Не дожидаясь, пока снег вокруг дерева сам растает, следует откопать его от дерева, а почву пролить теплой водой. Положительный эффект возникает по следующим причинам. Отражательная способность снега составляет 70-80%, а открытой земли 10-20%. Следовательно, снижается суммарное количество солнечной энергии, поступающей в крону дерева, а теплая вода позволяет растению получить воду, необходимую ему для нормальной жизнедеятельности в этот период. Так можно помочь растению избежать обезвоживания и обгорания хвои. К тому же земляной ком от воды растает быстрее, и растение сможет получать влагу из почвы. Полив следует производить утром, чтобы избежать ночных заморозков, из-за которых вода может замерзнуть и не принести никакой пользы. На небольшую тую высотой 2 – 2,5 м понадобится примерно 10 литров воды.
Против заморозков применяют дождевание и туманные завесы. Дождеватели и туманообразующие форсунки устанавливают на таком расстоянии друг от друга, чтобы деревья покрывались каплями воды одновременно со всех сторон. Обязательное условие дождевания — тщательность и непрерывность подачи воды в течение заморозка.
Кроме того для хвойных растений в ранневесенний период в качестве меры защиты очень полезны опрыскивания или обливания кроны водой. В этот период корни ещё не «проснулись» и не восполняют в полной мере запас влаги у растений, поэтому поступление её через крону помогает им адаптироваться к непростым условиям. Опрыскивания следует начинать после схода снега. Также в это время начинают и активный полив растений. Поливают тёплой водой. Пока почва не оттает (признаком этого является то, что вода не впитывается, а растекается) полив осуществляют небольшими порциями.
Летние солнечные ожоги растений. В теплое время на фоне высоких температур воздуха могут развиваться два вида летних солнечных ожогов: фотодинамические (ЛФСО) и тепловые (ЛТСО). Физиологическая причина образования ЛФСО та же, что и зимних солнечных ожогов. Но в отличии от зимы, летом процесс фотосинтеза в тканях коры деревьев тормозится высокими температурами. Для основных плодовых культур это температура 40…50 градусов Цельсия. ЛТСО образуется при более высоких температурах – около 52…55 градусов Цельсия, когда превышается порог жаростойкости тканей коры и повреждения возникают вне зависимости от того, проницаемы для света или нет покровные ткани коры. В летний период солнечным ожогам более подвержены молодые деревья и части крон. Штамбики молодых деревьев могут получить ЛТСО от контакта с поверхностью почвы, сильно нагреваемой солнечными лучами.
Для открытых прямому солнцу частей деревьев с хорошей облиственностью кроны при нормальном увлажнении почвы солнечное нагревание опасности не представляет, так как восходящий транспирационный ток воды охлаждает ткани коры до уровня, при котором невозможно развитие ка ЛФСО, так и ЛТСО.
Летние солнечные ожоги образуются, если деревья по разным причинам слабо облиственны или листьев у них вовсе нет, что бывает у вновь посаженных саженцев или пересаженных деревьев, поврежденных морозами, зимними солнечными ожогами, болезнями, вредителями и во время затяжной засухи.
Летние солнечные ожоги плодовых деревьев более часто наблюдаются в южных районах страны. Но они могут часто возникать как в переходных зонах, так и в годы в северных регионах.
Защитным мероприятием от летних солнечных ожогов является постоянное поддержание влажности почвы в зоне корневой системы на достаточном уровне. Это обеспечивает восходящий транспирационный более холодный поток воды из корневой системы по стволам и веткам растения, что приводит к их охлаждению на 15-20 градусов Цельсия. И ЛФСО и ЛТСО не происходят.
При проектировании ландшафтного дизайна, кроме необходимости полива растений, следует предусмотреть комфортное обитание их надземных частей, а так же создания комфортных рекреационных зон в ландшафте. В жаркий климатический период высокие температуры воздуха могут отрицательно воздействовать и на растения, и на человека.
Для создания комфортных условий в мире используют системы испарительного охлаждения высокого давления. Принцип испарительного охлаждения состоит в периодическом распылении на открытой территории и закрытых пространствах в защищаемой от высоких температур воздуха зоне мелкодисперсного водного аэрозоля – ультратонкого тумана. В этом тумане содержатся миллионы мельчайших капелек воды.
За счет тепла окружающей среды мелкие капли воды немедленно испаряются в нагретом воздухе и превращаются в пар, не смачивая поверхности и предметы.
Затраты тепловой энергии, требуемой для перевода капель в парообразное состояние, приводят к снижению температуры воздуха и повышению влажности. Величина снижения температуры при этом зависит от относительной влажности воздуха. Можно достигнуть снижения температуры воздуха в зоне действия испарительного охлаждения до 10 – 15 градусов Цельсия.
Системы испарительного охлаждения могут использоваться на: местах отдыха и развлечений в парках, аквапарках, террасах и беседках в коттеджах, возле бассейнов, в зимних садах, в розариях на открытой территории и других объектах обеспечения населения продуктами питания и не только. Каким цветущим краем можно сделать наш Крым при достаточном количестве воды для полива! Каким цветущим краем стали и становятся регионы в центральной Азии, когда удаётся подвести туда воду! Вот только это далеко не всегда так просто. По прогнозам климатологов, Вода определяет возможности выращивания растений – а, следовательно, и человечество уже в обозримом будущем может оказаться перед проблемой дефицита пресной воды, поэтому одним из важных векторов развития науки о поливе (а как Вы могли понять из нашей статьи – полив это серьёзная наука!) и поливной техники (что то же совсем не просто!) становится рациональное использование воды. Ведь избыточное увлажнение – это не только потеря воды, но и угнетение растений.
Правильно организованный полив – залог здоровья, комфорта и благополучия растений и человека.
Авторы статьи:
Кипнис И.А. Калашников Д.В.
Зам. Генерального директора Зав. кафедрой ландшафтной
по науке ООО «Научно – архитектуры МСХА им.
производственной фирмы им. К. А. Тимирязева,
КАСИОР», кандидат технических кандидат с-х наук, доцент.
наук, член-корреспондент МАНЭБ.
