Передвижение воды в растении
Как растение поглощает воду и какое влияние оказывают экологические факторы на корнеобитаемую среду и состояние корневой системы? Казалось бы, эти физиологические процессы подробно изучены, однако имеется целый ряд нюансов, которые необходимо учитывать в современных технологиях возделывания культур защищенного грунта. Статья описывает некоторые физиологические процессы поглощения растением воды и их связь с микроклиматом в теплице.
Известно, что вода перемещается по растению от корней к листьям по сосудам ксилемы и движущей силой этого процесса является транспирация.
Около 90% всей поглощенной растением воды тратится на испарение и только 10% используется непосредственно для физиологических процессов, в том числе фотосинтеза.
Для чего растение испаряет воду?
Кубометр воздуха в теплице, при температуре 20 °С содержит максимум 17 г влаги. Активно растущее растение может испарять в солнечный день с суммой прихода солнечной радиации 2000 Дж/см2около 4,5 л воды на 1 м2 поверхности теплицы. Вода, испаряемая растением через листовую поверхность, охлаждает воздух в теплице примерно так же, как туманообразующая установка высокого давления. Действительно, температура транспирирующего листа может быть на 2-6 °С ниже, чем нетранспирирующего. Именно поэтому в жаркие летние месяцы растения должны иметь хорошо работающую, мощную и здоровую корневую систему и достаточное количество листьев, чтобы обеспечить необходимую интенсивность охлаждения и, соответственно, урожай и качество продукции.
С другой стороны, транспирация культуры из-за увеличения количества влаги в воздухе при ограниченной вентиляции может стать причиной определенных проблем. В период затяжной пасмурной погоды влажность воздуха может превышать оптимальные показатели, установленные агрономом. В таких случаях, связанных к тому же с высокой опасностью распространения возбудителей болезней, адекватная работа корневой системы еще более важна, поскольку поможет избежать серьезных потерь от грибковых заболеваний, например, от серой гнили.
Понимание взаимодействия корнеобитаемой среды и микроклимата необходимо для работы агронома. Только в сбалансированном состоянии эти системы могут обеспечить оптимальный результат
Схема водного транспорта в растении
Вода поступает в растение благодаря отрицательному давлению, создающемуся в сосудах ксилемы. Движущей силой этого процесса является транспирация. Другой движущей силой будет пассивный, осмотический транспорт.
Транспирация
Транспирация начинается с испарения воды через устьичные щели, расположенные преимущественно с нижней стороны листа. Процесс происходит ,когда устьица открыты для обеспечения газообмена С02 и 02, необходимых для процесса жизнедеятельности растения и протекания фотосинтеза. Испарившаяся через устьица влага замещается влагой из нижерасположенных смежных клеток сосудов ксилемы. В эти клетки влага двигается из соседних клеток и т. д. Стенки клеток проводящей системы изгибаются внутрь, создается отрицательное давление, которое заставляет воду двигаться вверх по растению от корней к листьям. Таким образом, приходит в движение весь «водяной столб», от устьичных клеток до клеток корневых волосков.
Роль устьиц в транспирации
Основной путь потери воды растением — транспирация, но для процесса фотосинтеза необходим обмен углекислым газом и кислородом с окружающим воздухом через открытые устьица. Из этого следует, что для нормальной и продуктивной работы растения должен поддерживаться определенный баланс между потерей жидкости и потреблением С02 через устьица. Растение регулирует этот процесс степенью открытия устьичных щелей. Открытие и закрытие устьиц регулируется светом. Другие параметры микроклимата также оказывают существенное влияние на интенсивность транспирации. Один из главных — относительная влажность воздуха, а исходя из требований растения — ДДВП (дефицит давления водяного пара). ДДВП это разница между давлением водяного пара при максимальном насыщении (такие условия обычно создаются внутри устьичной камеры) и в наружном воздухе. Наряду с температурой (тепловая энергия) эти параметры (ДДВП и свет) играют ключевую роль в определении интенсивности транспирации, времени ее начала и окончания. Все это имеет непосредственную связь с условиями в корнеобитаемой среде.
Устьица открываются, когда утром на лист падают лучи солнца. В условиях теплицы транспирация начинается ориентировочно при 150-200 Вт/м2 интенсивности солнечного света.
По разнице температуры поверхностей листа томата и датчика (нетранспирирующая поверхность), которая является результатом охлаждения растения после начала транспирации, четко определяется момент начала транспирации.
Старт первого полива должен совпадать с началом активной транспирации. Этот интервал времени также непосредственно связан со стратегией управления температурой отопительных труб в утренний период. Именно поэтому применяется тактика снижения минимальной температуры труб «по свету» в пределах 200-400 Вт/м2, а не по времени суток. Используя установки «минимальной температуры трубы» в условиях с интенсивностью прихода солнечной радиации выше 400 Вт/м2, агроном столкнется лишь с дополнительными расходами на отопление, транспирация уже будет инициирована солнечным светом, и необходимость в дополнительном стимулировании с помощью нижних труб обогрева отпадает. Однако это лишь общее правило. Например, при низкой температуре субстрата срок начала транспирации может изменяться. При -12 °С транспирация начинается на 2 ч позже по сравнению с ситуацией, когда субстрат имеет температуру 17 °С. В таких случаях время первого полива и установки по минимальной температуре труб должно быть соответственно изменено.
Интенсивность транспирации в течение дня зависит прежде всего от изменений параметров микроклимата в теплице. Чем ниже относительная влажность воздуха и выше температура, тем интенсивнее процесс транспирации. Ниже рассматриваются две стандартные ситуации:
Солнечный день
В течение дня, если потребление воды корневой системой отстает от уровня транспирации, клетки растения теряют тургор и устьица закрываются, уровень транспирации резко снижается, так растение предотвращает увядание. Кроме транспирации, сильно снижается интенсивность фотосинтеза, и, в свою очередь, качество плодов и урожайность резко падают. Температура растения и воздуха в теплице возрастает, как следствие, усиливается дыхание растения, оно начинает «сжигать» само себя. Именно по этой причине необходимо поддерживать работу корневой системы в активном состоянии. Это особенно важно в весенний период, при росте прихода солнечной радиации.
Также в условиях хорошей освещенности (от 800-1000 Дж/см2 в день) рекомендуется привязывать поливы к суммарному приходу солнечной радиации (рис. 2).
Количество раствора на 1 Дж при такой корректировке зависит от типа культивационного сооружения и используемого вида датчика солнечной радиации.
В экстремальных условиях, которые характерны для многих Российских регионов, полезно использовать показатель водопотребления культуры (разница между поливом и дренажом) как индикатор состояния растений. Это поможет правильно использовать системы зашторивания и испарительного охлаждения. Использование обеих этих систем не должно приводить к резкому снижению уровня транспирации культуры и, соответственно, водопотребления, главная цель их применения — помощь растению, и особенно корневой системе, в периоды с высокими уровнями транспирации. При неправильном использовании систем СИО можно получить ослабленную культуру, а чрезмерное использование затеняющих экранов приводит к снижению урожайности, так как свет определяет урожайность!
Пасмурный день
В пасмурные дни транспирация низка, поэтому время первого и особенно последнего поливов соответственно должно быть изменено. Это легко сделать, используя современные климатические компьютеры совместно с датчиками влажности субстрата и регистрации прихода солнечной радиации.
В пасмурные дни установки «минимальной температуры труб» (5060° С) могут быть использованы в течение нескольких часов после полудня совместно с вентиляцией, чтобы стимулировать транспирацию. Это гарантирует то, что необходимые элементы питания все-таки попадают в растение, и можно контролировать его развитие, направляя по вегетативному или генеративному пути. Следует помнить, что слишком активная стимуляция транспирации с использованием температуры в нижнем контуре отопления может привести к резкому росту относительной влажности воздуха из-за резкого роста транспирации. Для контроля влажности обычно бывает вполне достаточно температуры нижнего контура 40 °С. Учитывая нынешние цены на газ, минимальная температура нижнего контура не должна превышать 45 °С, во всяком случае часто. Установка температуры 35 °С при автоматическом увеличении на 10 °С по влажности воздуха в пределах 80-90% вполне приемлема.
Внимательно анализируйте графики компьютера, управляющего микроклиматом, внимательно отслеживайте взаимосвязь влажности воздуха и температуры нижнего контура. Часто изменение температуры труб обогрева с 40 °С на 60 °С не приводит к желаемому изменению влажности воздуха, а затраты при этом растут.
Обязательным условием снижения влажности воздуха являются приоткрытые фрамуги для выхода влаги из теплицы. Поэтому задавайте программу управления отоплением и вентиляцией так, чтобы их графики были близки друг к другу, это создаст в теплице активный микроклимат. В периоды с низкой температурой наружного воздуха (
