Микроклимат растений


Пришла весна. Снег сошел, почва подсыхает, наступает время полевых работ. Но почва «поспевает» к посеву не одновременно. Раньше всех прогревается песчаная почва, и вот почему.

Вода легко просачивается сквозь песок. Песчаные почвы скорей подсыхают, но подсохшая Земля обладает, как известно, меньшей теплоемкостью, чем сырая, и, получая одно и то же количество тепла, она нагревается до более высокой температуры, чем последняя. Кроме того, расход тепла на испарение сухого песка значительно меньше, чем влажной глины, так что на непосредственное нагревание песка тепла остается больше. Поэтому легкие песчаные и супесчаные почвы весной более теплы, глинистые и суглинистые — холодны.

Но вот почва обработана и засеяна. Через несколько дней сквозь ее поверхность пробьется маленький зеленый росток, а в глубину — тоненький корешок.

Посмотрим, в каких температурных условиях происходит развитие молодого растения и насколько они отличаются от тех, которые сообщаются в эти дни по радио. Не забывайте, что сведения о температуре воздуха, сообщаемые в сводках по радио, даются по наблюдениям, сделанным на высоте 2 метра над Землей, нас же с вами интересует высота всего лишь 2—3 сантиметра над нею.

Перед восходом Солнца, когда обычно наблюдается самая низкая температура суток, холоднее всего сам выбившийся из почвы и развернувшийся листочек. В этом нас весною легко убеждает иней. Чаще всего он лежит как раз на тонких листочках. Если температура продолжает снижаться, то иней появляется на поверхности кочек и лишь постепенно захватывает всю поверхность почвы. В глубине же почвы температура выше не только по сравнению с поверхностью почвы, но и по сравнению с воздухом. В эти часы, так же как и ночью, почва является резервуаром скопленного за предыдущий день солнечного тепла.

На рис. 9 видно, как изменяется температура вверх и вниз от поверхности почвы в ночные часы. В это время суток разность между температурой листьев и корешка может достигать 10 градусов.

Но взошло Солнце, и в течение 1—2 часов картина резко меняется. Солнечные лучи прежде всего нагревают поверхность почвы и молодые ростки. Сам росток много тепла тратит на испарение; кроме того, обвеваемый воздухом, он легко отдает ему часть тепла; поэтому его температура хотя и бывает выше температуры воздуха, но разница редко превышает 3—5 градусов. Иначе обстоит дело с поверхностью почвы, особенно если она сухая и рыхлая.

Поглощая около 90 процентов солнечной радиации, поверхностные слои сухой почвы почти не тратят тепла на испарение. Очень медленно отдают они тепло и в воздух и в более глубокие свои слои; ведь у самой поверхности почвы перемешивание и, следовательно, теплопроводность воздуха очень ослаблены, рыхлая и сухая почва также плохо проводит тепло.

Благодаря этому температура поверхности почвы, а вместе с ней и корневой шейки растения, днем на 20—30 градусов выше, чем температура воздуха и более глубоких слоев той же почвы. Значит, и отдельные части растений в один и тот же момент испытывают температуры, различающиеся на 20—30 градусов (рис. 10). В теплый солнечный весенний день температура поверхности почвы и корневой шейки растения может достигать 40 градусов, в то время как сам корешок на глубине всего лишь 20—30 сантиметров имеет температуру 10—15 градусов. Разница в температурах здесь такая, какая наблюдается, например, весной между Москвой и Ашхабадом.

Наиболее ровный суточный ход температуры наблюдается в глубине почвы. На глубине 20 сантиметров суточные колебания температуры около 2—4 градусов, а на поверхности почвы — 20—30 градусов, а то и более.

Вот такие колебания температуры испытывает хрупкое и нежное на вид молодое растение.

Условия развития растений даже в одном и том же районе не везде одинаковы.

Ранние весенние цветы появляются прежде всего на южных склонах холмов и овражков, затем на ровных местах и уже в последнюю очередь на северных склонах. На южных склонах, особенно защищенных от ветра, температура почвы и прилегающего воздуха всегда на несколько градусов выше, чем на ровных местах и на северных склонах холмов. Это различие определяется в первую очередь неодинаковым количеством солнечного тепла, падающего на эти поверхности: та, которая перпендикулярна к солнечным лучам, получит наибольшее количество тепла, те же, что расположены под косым углом к ним, — меньшее. Чем меньше угол, под которым падают солнечные лучи на поверхность почвы, тем меньше тепла приходится на единицу поверхности, тем меньше нагревают они ее (рис. 11).

Ранней весной крутой южный склон получает тепла на 25 процентов больше по сравнению с горизонтальной площадкой, северный склон — вдвое меньше по сравнению с ней же. На обрывистые северные склоны солнечные лучи в это время года совсем не попадают. Это обстоятельство приводит к совершенно неожиданному на первый взгляд выводу: по количеству тепла, получаемого от Солнца, южные склоны холмов под Ленинградом превосходят горизонтальные участки Земли, расположенные на широте Киева!

Но это явление имеет и свою обратную сторону.

Большее количество тепла, полученного от Солнца, ускоряет таяние снега. Талая вода быстро стекает, благодаря чему запас влаги в почве-южных склонов уменьшается, так что растения южных склонов располагают меньшим количеством влаги. В результате в естественных условиях, южные склоны зарастают не только более теплолюбивыми, но и более засухоустойчивыми растениями. Именно по южным склонам степная растительность внедряется в лесную зону. По северным же склонам, наоборот, лес проникает далеко к югу, в засушливые места. Тепловое преимущество южных склонов широко учитывается в сельскохозяйственном производстве, поэтому в тундре, на границе земледелия, овощи сажают на южных, защищенных от ветра склонах — здесь они быстрее и лучше растут. На южных же склонах в наших широтах лучше развиваются, быстрее и сильнее плодоносят все виды садовых и огородных культур.

 

* * *

Весна в полном разгаре, в садах цветут плодовые деревья. Это — тревожное время не только для садоводов, но и для работников бюро погоды. Надо не прозевать вторжение холодных воздушных масс и вовремя предупредить о возможном заморозке. Даже самое кратковременное понижение температуры ниже 0 градусов может погубить урожай плодов. Но бюро погоды дает лишь общий прогноз. Его надо уточнить применительно к местным условиям.

Заморозки по силе своей не везде одинаковы. На вершине и верхней части склонов холма они почти всегда слабее, чем в лощине.

Весеннее солнце сильно греет, и даже при вторжении холодного воздуха из Арктики днем сравнительно тепло. Поэтому снижение температуры до заморозков наблюдается обычно лишь ночью. Особенно сильны они бывают в ясные ночи, когда ни туман, ни облачность не мешают Земле, нагретой днем, терять тепло, излучая его в верхние слои атмосферы.

Вместе с поверхностью Земли постепенно выхолаживается и прилегающий к ней воздух. Обычно эта поверхность не представляет собой однородную гладкую равнину, а более или менее изрезана холмами и долинами. Холодный, тяжелый и сырой воздух по склонам холмов стекает вниз, в лощины, а к возвышенностям опускаются воздушные потоки из более высоких слоев атмосферы, еще сохранившие дневное тепло.

Может быть, вам и самим приходилось наблюдать это движение воздушных потоков в ясные ночи, когда на вершине холма тепло и сухо, а внизу стелется холод и сырость.

Вот как описал это И. С. Тургенев в рассказе «Бежин луг»: «У ног моих тянулась узкая долина ...Я... проворно спустился с холма. Меня тотчас обхватила неприятная, неподвижная сырость, точно я вошел в погреб».

Советские метеорологи изучили закономерности влияния рельефа на распределение ночных минимальных температур, на частоту заморозков и длину безморозного периода.

В одну и ту же ночь на расстоянии нескольких сот метров в долине может быть на 5 градусов холоднее по сравнению с примыкающим холмом; наблюдались случаи, когда в этих условиях разница температуры превышала 10 градусов. В долине весенние заморозки возможны на 10 дней позже, а на холме, наоборот, они кончаются на 10—15 дней раньше, чем на равнине. Наиболее часты заморозки на полянах, на которых застаивается холодный воздух. У самого берега реки весенние заморозки кончаются раньше, а осенние начинаются позже; поверхность воды остывает медленнее, чем поверхность суши, и ночью более теплый водоем, словно нагретая печка, препятствует образованию заморозков. Но, конечно, только тогда, когда он сам не покрыт льдом. Учитывая все эти особенности, можно уточнить прогноз заморозков применительно к местным условиям.

Советские метеорологи не только предсказывают заморозки, но и помогают бороться с ними. Преградить дорогу и остановить массы холодного воздуха, обычно приходящие в наши широты из Арктики, мы пока не умеем. Но в наших силах уменьшить их вредное действие в приземном слое воздуха, пользуясь особенностями этого слоя и прежде всего его малой подвижностью.

На северной границе земледелия в защите от заморозков нуждаются картофель и хлебные злаки, в средней полосе — фруктовые деревья, на юге — хлопок и виноград, в субтропиках —мандарины, апельсины и другие субтропические культуры. Один из способов защиты фруктовых деревьев и виноградников, известный с давних времен, — это окуривание дымом. Сейчас дымление производится при помощи дымовых куч или специальных дымовых шашек. Густое дымовое облако, образующееся при их горении, окутывает поверхность почвы и растения. Прикрывая их, оно значительно ослабляет излучение ими тепла. Некоторое количество тепла выделяется и в процессе горения. Кроме того, на гигроскопичных частичках дыма при известных условиях может начаться конденсация водяного пара и образование влажной дымки, или тумана. При этом воздуху отдается то тепло, которое было затрачено на испарение. Все это вместе взятое ослабляет выхолаживание приземного слоя воздуха, и в результате температура оказывается на 1 —1,5 градуса выше, чем на участках без дымления.

Но этим способом, сравнительно простым и дешевым, можно предохранить растения только от слабых заморозков.

Большой тепловой эффект дают грелки. При этом способе нагревание воздуха происходит за счет тепла, выделяющегося при сжигании твердого или жидкого топлива. У нас в Союзе используют для этого нефтяные горелки: 100 нефтяных горелок на 1 гектар нагревают воздух на 2—2,5 градуса, а 400 горелок —на 5 градусов. С помощью грелок можно сохранить от гибели урожай даже при сильном заморозке. Тепловой эффект дымления и грелок тем больше, чем меньше скорость ветра; но обычно при заморозках скорость ветра как раз и не бывает большой.

От вредного действия заморозков растения защищают также и разного рода покрышками, которые кладут на ночь или на более длительный срок, смотря по погоде

Как видите, своевременное предупреждение о наступлении заморозков позволяет и вовремя подготовиться к борьбе с ними. Однако эта непосредственная борьба обходится все же дорого. Поэтому очень важно заранее знать, какие же участки наиболее, а какие наименее морозоопасны, с тем чтобы выбрать для страдающих от заморозков и для морозоустойчивых растений наиболее благоприятные для их жизни условия.

В решении этого вопроса на помощь агрономам и колхозникам приходят метеорологи.

В советских субтропиках, где культивируются апельсины, лимоны, мандарины и другие растения, боящиеся заморозков и морозов, передовики колхозного и совхозного хозяйства имеют карты морозоопасности своих участков.

Эти карты во многом помогают работникам субтропических совхозов и колхозов. Сообразуясь с ними, при разбивке плантации наиболее нежным растениям отводят участки на теплых склонах холмов, а в морозобойных долинах размещают более стойкие к холоду культуры.

 

* * *

Но вот прошли последние заморозки, и в свои права вступает лето. Поля покрылись всходами. Их развитие зависит от климата — от тепла, от влажности воздуха и почвы. Но в природе все взаимосвязано, и сами посевы в свою очередь оказывают влияние на климат.

Насколько сильно и существенно это влияние, мы сейчас убедимся. Перед нами черный пар и два участка, засеянные пшеницей. На одном из них травостой пшеницы полный, густой, на другом — редкий, плохой.

В дневные часы поверхность почвы на черном пару, то есть на оголенном от растительности, разрыхленном участке, сильно накаляется Солнцем. В сухую погоду почва здесь может нагреться до 60, а на нашем юге и до 70—80 градусов. Вверх от поверхности почвы, как и в глубь нее температура резко падает. В воздухе уже на расстоянии 50—60 сантиметров от почвы она лишь на 1—2 градуса выше, чем на высоте 2 метров, то есть на высоте обычных метеорологических наблюдений.

Сильный перегрев воздуха и сухая поверхность почвы, с которой влага почти не испаряется, приводят к тому, что относительная влажность воздуха резко падает. На черном пару в приземном слое жарко и сухо.

Иной климат на участке, где травостой пшеницы полный и густой.

Благодаря вовремя и умело проведенному колхозным активом снегозадержанию в почве был накоплен большой запас влаги, что и обеспечило развитие мощного травостоя. В общей своей массе травостой испаряет много влаги и тратит на это большую часть поглощенного им солнечного тепла. На непосредственное нагревание почвы и растений тепла остается сравнительно немного, и температура воздуха среди густого травостоя вплоть до самой поверхности почвы незначительно отличается от температуры на 2-метровой высоте. Но зато влажность воздуха в травостое значительно выше, так как испаряющаяся влага удерживается среди густой растительности. А застаивание влаги в травостое в свою очередь имеет большое значение, так как это несколько задерживает дальнейшее испарение.

В результате на таком участке испарение происходит более экономно, чем при редком травостое. Очень важное значение имеет и то обстоятельство, что при густом травостое, сплошь затеняющем поверхность почвы, бесплодное испарение непосредственно с этой поверхности сводится практически к нулю и каждая капля воды используется растениями.

Сомкнутому травостою менее страшны и суховеи, так как даже сильный ветер затухает в его глубине.

Иначе обстоит дело с редким травостоем на почве с малым запасом влаги. Общее количество испаряющейся влаги здесь незначительно, и следовательно, большое количество солнечного тепла расходуется на непосредственное нагревание растений. Редкий травостой не затеняет почвы, а общее ослабленное перемешивание в приземном слое способствует тому, что нагретый воздух несколько задерживается у самой поверхности почвы. Все это приводит к резкому повышению температуры, которая может быть такой же, как на черном пару, а иногда даже и выше. Сильные ветры проникают в его глубину, и потому редкий травостой особенно чувствителен к суховеям.

Эти примеры показывают, как сильно может меняться микроклимат на отдельных участках одного и того же поля и как важно для получения высокого урожая «сделать» этот климат наиболее благоприятным для того или иного растения.

 

* * *

А что делается летом в лесу? Всем знакомо чувство прохлады, которое охватывает нас, как только мы в жаркий летний день попадаем в густой лес.

Кроны деревьев, сплетаясь над головой, затеняют Землю. В зависимости от густоты эта «крыша» поглощает до 90 процентов поступающей на ее поверхность солнечной энергии. Вот почему в глубине такого леса царят полумрак и прохлада. Деятельной поверхностью являются верхние части древесных крон. Именно они нагреваются солнечными лучами в дневные часы и охлаждаются при ночном излучении. С их поверхности и происходит основное испарение.

В густом лесу поверхность почвы и трав днем не нагревается до такой высокой температуры, как в поле; ночью, наоборот, температура в лесу выше, чем в поле. Менее вероятны в нем и заморозки. Зато влажность верхних слоев почвы в лесу выше. Все это создает особые жизненные условия для травянистого и мохового покрова, который в лесу резко отличается не только от степного, но и лугового.

Известно, что молодые елки хорошо растут только под пологом леса, а на открытых местах гибнут от заморозков. При вырубке деревьев сразу же меняется «климат» почвы и прилегающего к ней слоя воздуха, а это приводит к смене растительности. К числу особенностей лесного климата относятся и малые скорости ветра. В густом лесу летом, когда все деревья одеты листвой, скорость ветра составляет лишь 10—20 процентов от его скорости на открытом месте.

Климат редкого леса существенно иной. В нем значительная часть солнечных лучей достигает почвы и нагревает ее. Скорость ветра хотя и несколько больше, чем в густом лесу, но все же равна лишь 30—40 процентам его скорости на открытом месте. Ослабление скорости ветра, а вместе с ней и перемешивания воздуха приводит к тому, что, несмотря на несколько меньшее, чем на открытом месте, количество солнечного тепла, оно нагревает почву и прилегающий к ней воздух до значительной температуры. В результате в редком лесу днем может быть даже жарче, чем в открытой степи, где нагревшийся воздух благодаря большому перемешиванию легко переносится в более высокие слои.

На лесных полянах днем в разгар лета бывает особенно жарко. На них поверхность почвы получает то же количество тепла, что и в открытом поле. Но воздух почти недвижим, и все это тепло задерживается в верхнем слое почвы и в прилегающем к нему слое воздуха. Ночью, наоборот, на полянах холодней всего. Первый иней осенью вы увидите именно на них, а уж потом в поле. В лесу же, под густым пологом деревьев, иней на почве обычно не образуется.

На ветвях деревьев, кроме инея, зимой часто и помногу осаждается изморозь, представляющая собою необычайно красивое явление. Это именно она как бы серебром разукрашивает и одевает деревья. Вспомните стихи Фета:

Печальная береза

У моего окна,

И прихотью мороза

Разубрана она.

Осаждаются на деревьях и отдельные капельки тумана, образуя зимой гололед. Там, где туманов много, — на берегах морей например, а также в горах, изморозь и гололед составляют заметную долю общего количества осадков. В этом, так же как в снегозадержании и замедлении снеготаяния, проявляется увлажняющее влияние леса на климат.

А увеличивают ли леса непосредственно количество дождя и снега? Увеличивают, но немного. Из этого, однако, не следует, что лесонасаждения, осуществленные в засушливых районах, не окажут значительного влияния на климатические условия этих мест.

Увлажнение определяется не только приходом влаги, но в равной мере и ее расходом.

Древесная растительность хорошо сказывается на увлажнении благодаря тому, что она уменьшает вредный поверхностный сток воды. Уменьшая его, мы тем самым увеличиваем запасы влаги в почве, препятствуем смыву в овраги верхних, наиболее плодородных ее слоев, препятствуем образованию самих оврагов, ослабляем весеннее половодье рек, которое иногда так катастрофически затопляет селения, срывает мосты и т. п.

Лесные полосы предохраняют и от пыльных бурь, этого стихийного бедствия наших южных степей.

Пыльные бури особенно вредны ранней весной, когда полевые растения еще не успели укорениться. Сильный ветер вырывает их с корнем, поднимая в воздух тучи пыли. В такую бурю местами не только все посевы, но и весь пахотный слой почвы бывает поднят на воздух и перенесен за сотни километров. Там, засыпая поля и образуя земляные сугробы, он также губит посевы.

Лесные полосы хорошо защищают от пыльных бурь. На рис. 12 и 13 виден общий вид двух участков поля после пыльной бури. Один участок находился под защитой древесной растительности, а другой — в открытой степи. На первом травостой сохранился полностью, а на втором остались лишь сорняки с глубокой корневой системой: поверхность почвы покрыта камнями, которые обнажались после того, как мелкие частицы почвы были выдуты ветром.

На высоте нескольких десятков метров и над защищенным участком скорость ветра бывает такая же большая, как и над открытым полем. Изменять скорость всего воздушного течения мы пока не можем. Но в данном случае это и не нужно, достаточно ослабить скорость ветра на высоте 0,5—1 метр, то есть достаточно изменить микроклимат.

На крайнем юго-востоке европейской части СССР осадков все-таки так мало — меньше 300 или даже 200 миллиметров в год, что никакие мероприятия по экономному расходованию их не могут обеспечить устойчивый и высокий урожай.

А вместе с тем здесь очень много солнечного света и тепла, которые способствуют высокому качеству сельскохозяйственной продукции. Пшеница отличается здесь таким высоким содержанием белка и дает муку такого высокого качества, что она с давних пор считается лучшей на мировом рынке. Арбузы и виноград здесь особенно сочны и сладки.

Переделка полупустынного климата в целом — дело будущего. Но создание в полупустынных и пустынных условиях благоприятного для растений микроклимата в СССР стало реальностью уже теперь. Искусственное орошение, которое человек стихийно использовал с незапамятных времен, в нашей стране получило рациональное обоснование и исключительное развитие.

Орошение не только снабжает растение влагой, но и переделывает весь микроклимат поля. На рис. 14 дано изменение (по высоте) температуры воздуха среди орошенной и неорошенной пшеницы. На орошаемом участке температура воздуха в дневные часы не только ниже, чем на неорошенном, но даже ниже, чем на высоте 2 метра.

Это значит, что орошенная пшеница тратит на испарение не только солнечное тепло, непосредственно ею получаемое, но и тепло из воздуха, которое пополняется за счет солнечного тепла, приходящего на соседние, неорошаемые участки.

Это обстоятельство имеет большое практическое значение. Каждое растение можно рассматривать как маленькое химическое производство, для которого климатические условия поставляют не только важную часть сырья — воду, но и энергию. В тех случаях, когда сырье, в том числе и вода, практически не ограничено, как, например, на орошаемых и удобряемых участках, то урожай растения определяется той тепловой энергией, которая необходима для переработки этого сырья.

Орошаемые участки в пустынных районах обеспечены наибольшим количеством этой энергии: во-первых, потому, что тут вообще много Солнца, а во-вторых, потому, что орошаемые участки могут использовать солнечную энергию, поступающую и на соседние, неорошаемые участки. Эту энергию переносит воздух в своем естественном движении.

А. И. Воейков еще в начале нашего столетия всячески пропагандировал орошение наших пустынных районов, указывая, что именно там, создав благоприятный для растения микроклимат, можно получить наивысший по количеству и наилучший по качеству урожай. Но практическое решение этой благородной задачи оказалось по плечу лишь советскому народу.