Файл: Кочина-Полубаринова П.Я. Подземные воды.pdf

торая начнет распрямляться и наполняться раствором; когда вода станет просачиваться в раствор сахара (бу­ тыль а). Если раствор в бутылке той же концентрации; что и раствор в нижнем мешочке, то верхний мешочек не будет распрямляться, его тургор будет равен нулю, и он поникнет — «увянет» (бутыль б).

Изменения во времени значений сосущей силы для кукурузы п пшеницы в различные фазы их развития по­ казаны на рис. 6. Для свеклы на аналогичном графике сосущая сила изменяется от 6 до 9 атмосфер, для хлоп­ чатника— от 12 до 16 атмосфер. Если для данного ра­ стения в данном периоде его развития величина сосущей силы будет больше, чем указанная на рис. 6, то это озна­ чает, что растение нуждается в поливе. Существуют скон­ струированные в Агрофизическом институте (Ленинград) приборы-автоматы, которые точно показывают величи­ ну сосущей силы растения и могут автоматически включать поливное устройство, когда растению не хва­ тает влаги.

Чтобы узнать, что нужно растению, ученые исследу­ ют-— из чего оно состоит. Они высушивают его массу и затем сжигают ее. Уголь составляет половину сухого ве­ щества. Следовательно, растению нужен углерод (С), ко­ торый получает оно из углекислого газа воздуха. Содер­ жание СОг в атмосфере ничтожно — всего три сотых процента, поэтому растение должно перерабатывать очень много воздуха.

Почти половину сухого вещества составляют кисло­ род (О) и водород (Н), извлекаемые растением главным образом из воды. Около 0,1 сухого веса растения образу­ ют азот, фосфор, калий и другие элементы. Они входят в состав золы сжигаемого растения или улетучиваются, превращаясь в газы.

Весь урожай органической массы растений подвер­ гается разложению и гниению, взятые из почвы мине-

20

8-9 а т м

телки

Рис. 6. Предельные величины сосущей силы и влажность почвы для определения сроков полива кукурузы и пшеницы

(По Н. С. Петиновч).

ральные вещества освобождаются из органических сое­ динений и возвращаются в почву. При выращивании культурных растений, урожаи которых вывозятся с по­ ля, запасы питательных веществ в почве истощаются, и их приходится восстанавливать, внося удобрения: ам­ миачную соль или селитру (азот), суперфосфат (фос­ фор), калийную соль или хлористый калий (калий) ит. п.

Мы убедились, что в природе существует, кроме кру­ говорота воды, и круговорот веществ, что их закономер­ ности во многом определяют законы развития растений.

Свет и тепло в жизни растений

Растение обладает удивительным аппаратом превра­ щения неорганических веществ в органические. Для этого ему нужна энергия. Необходимое количество ее К. А. Ти­ мирязев определил так: килограмм хлеба, сгорая, осво­

крайней мере такое же количество тепла или эквивалент­ ное ему количество энергии (возможны разного рода по­ тери). Тепло или энергию растение получает от солнца. Это даровая энергия.

В последнее время изучаются способы выращивания растений искусственным освещением, электрическими лампами, что позволяет снимать несколько урожаев (до шести) в год. Получаются растения с повышенным содер­ жанием сахара, витаминов и других питательных ве­ ществ. Пока еще затраты на электроэнергию дороги, но уже теперь намечаются пути к их снижению.

1 К а л о р и я — количество тепла, нужное для нагревания одно­ го килограмма воды на один градус.

22

Излучение Солнца распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн со скоростью 300 000 км в секунду. Солнечную радиацию на верхней границе атмо­ сферы разделяют на коротковолновую и длинноволно­ вую (инфракрасную или тепловую). Если бы там поме­ стить перпендикулярно к солнечным лучам пластинку площадью в 1 кв. сантиметр, абсолютно черную, т. е. по­ глощающую всю радиацию, то она каждую минуту полу­

Если бы Земля была лишена атмосферы, то такая интен­ сивность солнечной радиации была бы во всех пунктах земной поверхности. Однако, проходя сквозь атмосферу, лучи Солнца рассеиваются на молекулах атмосферных газов, на мельчайших жидких и твердых частицах, взве­ шенных в воздухе.

На рис. 7 показана схема прихода и расхода солнеч­ ной радиации: около 44 проц. поглощается поверх­ ностью земли и 14 проц. — атмосферой (в основном обла­ ками); 38 проц. отражается атмосферой, к ним присоеди­ няется 4 проц. радиации, отраженной от поверхности земли.

Мы уже отметили, что около половины массы сухого вещества растения образует углерод. Процесс углерод­ ного питания зеленых растений называется фотосинте­ зом. Он осуществляется световой энергией, поглощае­ мой зеленым пигментом — хлорофиллом, который по хи­ мическому строению является сложным магний-органи- ческим соединением.

В процессе фотосинтеза растения создают из углеки­ слого газа (СОг) и воды (ЕЬО) органические вещества, необходимые для построения их органов и поддержания жизненных процессов.

Растение «очищает» воздух, поглощая углерод и вы­ деляя кислород. Последние исследования установили.

33

что кислород выделяется не из углекислого газа, а из воды.

Растения играют, по выражению Тимирязева, роль «космического» фактора на Земле. Ежегодно они усваи­ вают 175 млрд, тонн углерода, причем на долю наземных

24

растений приходится лишь 20 млрд, тонн, а водных — водорослей, фитопланктона — остальные 155 млрд. тонн. За 300—400 лет растения могли бы поглотить весь угле­ род земного шара, содержащийся в атмосфере земли и в водах Океана.

Каждые 5—6 миллионов лет растения разлагают при фотосинтезе столько же воды, сколько содержится ее в океанах, каждые 3 тысячи лет выделяют столько кисло­ рода, сколько его содержится в свободном виде в атмос­ фере.

Ежегодно зеленые листья связывают и превращают в химическую энергию столько же энергии солнечной ра­ диации, сколько могли бы давать 200 000 Куйбышевских ГЭС (ее производительность 10 миллиардов киловаттчасов в год).

Противоположные по направлению процессы окисле­ ния органических веществ и восстановления углерода происходят при горении топлив, дыхании организмов и брожении. При этом образуются углекислый газ и вода, с освобождением энергии.

Внесение в почву органических веществ (навоза, остатков корней, сидератов — растений, специально вы­ ращиваемых для удобрения и т. д.) не только обогащает ее минеральными веществами и азотом, но и улучшает углеродное питание растений. Количество углерода на нашей планете постепенно увеличивается, что ведет к не­ которому потеплению климата.

Таким образом, фотосинтез является движущей си­ лой колоссального по размерам круговорота энергии на Земле.

Интенсивность фотосинтеза тесно связана с спектраль­ ным составом света: важно знать, какие части спектра — от инфракрасной до ультрафиолетовой — попадают на растение. Фотосинтез идет только в тех лучах, которые могут поглощаться хлорофиллом. С увеличением (до из­

25

вестного предела) интенсивности света увеличивается и интенсивность фотосинтеза.

Поэтому, проектируя оросительные мероприятия боль­ шого масштаба, надо определять радиационный баланс территории, т. е. разность между приходом и расходом лучистой энергии данной площади. Наряду с тепловым и водным балансами это нужно для правильного уста­ новления систем поливов и их сроков.

Если при проектировании больших оросительных си­ стем ставится вопрос о том, какую из нескольких терри­ торий орошать в первую очередь, то сравнивают их кли­ матические условия. Так, Кулундинская степь, располо­ женная на юге Западно-Сибирской низменности, по кли­ мату уступает Заволжью и Северному Кавказу, ибо чис­ ло солнечных дней в ней несколько меньше, возможны весною более поздние заморозки. Но интенсивность сол­ нечной радиации в ней настолько большая, что может окупить .указанные недостатки. В Западной Сибири 35 проц. зерновых дает Кулунда. Ясно, что ее орошение является первоочередной задачей.

К. А. Тимирязев писал о том, что растения исполь­ зуют лишь очень малую долю солнечной энергии на фо­ тосинтез, что если бы люди добились максимального использования этой энергии, то растения приобрели бы черную окраску, превратились в абсолютно черные тела. Ученый возражал против создания такого мрачного мира.

Людям предстоит разгадать тайну фотосинтеза, чтобы научиться концентрировать энергию Солнца в нужных ко­ личествах для создания нужных им климатических зон.

Почвенная влага

Дисперсность почво-грунтов. Грунтом называют верх­ нюю толщу горных пород под поверхностью земли. Верх­ ний слой грунта, корнеобитаемая зона, образует почву.

26

Так как трудно установить определенную линию разде­ ла между почвой и грунтом, то иногда говорят о почвогрунтах.

Для почвы характерна дисперсность, т. е. раздроб­ ленность ее частиц. Чем мельче частицы, тем больше площадь их поверхности по отношению к объему частиц.

Предположим, что имеем песчинку в виде кубика, реб­ ро которого равно 1 мм, тогда площадь его поверхности будет 6 кв. миллиметров. Если ребра кубика разделить пополам, то в том же объеме поместится 8 кубиков. У каждого из них площадь поверхности будет равна 0,5X6 = 3 кв. миллиметрам, а у всех 8 кубиков — 24 кв. миллиметрам. Если сторону кубика разделить на 10 ча­ стей, то в том же объеме возникнет тысяча кубиков с ребрами в 0,1 мм, а площадь их поверхности увеличит­ ся до 60 кв. миллиметров. С продолжением этого опыта площадь поверхности будет быстро нарастать, как это видно из следующей таблицы примерных размеров ча­ стиц грунта:

Для простоты мы считали частицы почво-грунта ку­ биками. Их часто рассматривают как шарики, что в ка­ кой-то степени подходит для крупных песчинок, однако иловатые и глинистые частицы имеют вид чешуек,

27

Различные формы почвенной влаги. То обстоятельст­ во, что мелкие частицы обладают з сумме большими пло­ щадями поверхности (большой удельной поверхностью), обусловливает большие силы взаимодействия между ча­ стицами почвы и почвенной влагой.

На каждую молекулу любого тела, твердого, жидко­ го или газообразного, действуют силы сцепления, исхо­ дящие от всех соседних с нею молекул. Так как эти силы в среднем равномерно направлены во все стороны, то внутри тела они взаимно уничтожаются, а у поверхности энергия полусферы молекул остается свободной. Благо­ даря огромной площади поверхности разнообразных ча­ стиц почва адсорбирует (связывает) некоторое количе­ ство влаги, находящейся в парообразном и в жидком со­ стоянии.

Каждая молекула адсорбированной воды сцеплена с поверхностью почвенной частицы силовым полем огром­ ной мощности — силы сцепления первых слоев жидкости с частицами почвы, образующие так называемую прочно связанную влагу, превосходят 50 атмосфер. Прочно свя­ занная вода может передвигаться только переходя в пар; плотность ее в полтора раза больше плотности обычной воды, ряд ее свойств близок к свойствам твер­ дого тела.

По мере удаления от адсорбирующей поверхности грунтовой частицы энергия связи в воде быстро умень­ шается: внешние слои удерживаются меньшими силами, чем внутренние. Этот вид почвенной влаги называется рыхло связанной влагой.

Молекулы воды представляют собой частицы с двой­ ным электрическим зарядом — диполи, у них отрицатель­ ный заряд (ионы кислорода, О- ) — на одном конце и по­ ложительный (ионы водорода, Н+) — на другом. Поэтому молекулы воды вступают в ориентированную (упорядо­ ченную) связь с частицами почвы и менаду собой (рис. 8), а также с ионами других веществ, содержащихся

28

в воде. Они сближаются концами, несущими заряды противоположного знака. Ближайшие к частице грунта ряды молекул воды являются строго ориентированны­ ми, образующими прочно связанную воду; дальше идут менее упорядоченные молекулы — слой рыхло связанной воды. Последняя может быть оторвана от частицы при

ного подъема жидкости в грунте, служащего в данном случае своеобразным фитилем.

30