В Советском Союзе независимо и одновременно с зарубежными учеными биофизические методы определения потребности в воде растений наиболее интенсивно стали разрабатывать начиная с сороковых годов текущего столетия. Первоначальной основой для этого послужили выводы физиологов по проблеме транспирации, идеи В. В. Докучаева, Г. Н. Высоцкого, Э. М. Ольдекопа, а также исследования А. Н. Костякова, Р. Э. Давида, И. А. Шарова, Г. Т. Селянинова, А. А. Скворцова, С. А. Вериго и др.
В отличие от многих зарубежных исследователей отечественные биофизики чаще всего связывали свои выводы с конкретными фитоценозами культурных и дикорастущих растений. Нельзя также не сказать о некоторых принципиальных различиях между советскими и отдельными зарубежными учеными в оценке потребности растений в воде и условий, при которых она может быть определена как объективная биофизическая категория. Имеется в виду утверждение американских ученых Ф. Веймейера и А. Хендриксона о равноценности почвенной влаги для растений в пределах от влажности завядания до наименьшей (полевой) влагоемкости, впервые ими опубликованное в 1928 г. и вновь подтвержденное в 1955 г. (Veihmeyer and Hendrickson, 1955). Согласно этому утверждению, если влажность почвы больше влажности увядания, то его величина не влияет на постоянную скорость извлечения почвенной влаги растениями.
Многочисленный опыт отечественных физиологов, почвоведов, агрометеорологов, агрофизиков, мелиораторов и многих зарубежных ученых решительно противоречит такому выводу. Еще Н. В. Лобанов (1925) в вегетационных опытах обнаружил замедление скорости транспирации до наступления влажности завядания — между нею и полевой влагоемкостью. В вегетационных опытах С. И. Долгова (1948) с овсом было установлено то же явление на разных типах почв. Б. Н. Мичурин (1959) в опытах с овсом, рожью и тимофеевкой на дерново-подзолистых почвах нашел, что замедление транспирации начинается при критической влажности, равной полусумме численных значений полевой влагоемкости и влажности устойчивого завядания. А. И. Будаговский (1964), развивая приближенную полуэмпирическую теорию транспирации, также приходит к выводам, не подтверждающим взгляды Веймейера и Хендриксона.
В обстоятельной монографии А. А. Роде (1965) подробно рассматривает вопрос подвижности почвенной влаги и ее доступности для растений при разных уровнях влажности почвы. А. Роде приходит к выводам, прямо противоположным выводам Веймейера и Хендриксона. По его мнению, «влажность разрыва капилляров», лежащая на шкале влажности почвы между наименьшей (полевой) влагоемкостью и влажностью завядания, является критической для растений. При влажности, равной и меньше критической, резко снижается подвижность воды и скорость транспирации. Влажность разрыва капилляров приблизительно соответствует 70—80% полевой влагоемкости суглинистых почв.
Интересна идея о динамичности критической влажности почвы с изменением испаряющей способности приземных слоев атмосферы (испаряемости), недавно предложенная С. В. Нерпиным, М. Г. Санояном, А. Ф. Чудновским (1966). Согласно выводам этих авторов, с ростом испаряемости увеличивается критическая влажность почвы. Так, например, испаряемости 0,2 мм/час соответствует критическая влажность, равная 65% полевой влагоемкости, а испаряемости 0,6 мм/час — 80% (приближенно по графику).
Начиная с тридцатых годов текущего столетия в СССР, кроме лабораторных и вегетационных опытов, проводились обширные полевые опыты на орошаемых и осушаемых землях засушливых, сухих и избыточно увлажняемых регионов по определению уровней увлажнения почв, соответствующих оптимальной влажности для растений. Первоначально эта работа была организована научно-исследовательскими институтами гидротехники и мелиорации (Всесоюзным, Южным, Украинским, Среднеазиатским, Грузинским и др.) и другими институтами водного хозяйства на опытно-мелиоративных и сельскохозяйственных станциях. На ряде опытных станций были самостоятельно организованы аналогичные исследования (Безенчукская, Ершовская в Заволжье, Персиановская и Ставропольская на Северном Кавказе, Приаральская в Казахстане, Ак-Кавакская в Узбекистане, Вахшская почвенно-мелиоративная в Таджикистане и др.).
Обобщение данных большого количества опытов с разными культурами (Алпатьев, 1954) показало поразительную устойчивость числовых значений оптимальной влажности суглинистых почв в разных географических условиях. В подавляющем большинстве случаев интервал оптимальной влажности суглинистых почв в полевых условиях лежит в пределах от 65—75% до 100% наименьшей, полевой влагоемкости. В разгар вегетации, который в умеренном поясе в основном совпадает с периодом наиболее интенсивной испаряющей способности атмосферы, а также на маломощных почвах и при возделывании мелкоукореняю-щихся растений нижний предел оптимальной влажности поднимается обычно до 75—80%. То же явление наблюдается и на глинистых почвах. На почвах легкого механического состава (песчаных и супесчаных) нижний предел оптимальной влажности их для растений снижается до 50—60% полевой влагоемкости, что было установлено нами на Приаральской опытной станции ВИР (1954) и впоследствии подтверждено другими исследователями в иных географических пунктах.
Одновременно с научно-исследовательскими мелиоративными учреждениями работа по изучению влагообеспеченности сельскохозяйственных культур проводилась на обширной сети гидрометеорологических и агрометеорологических станций. Обобщающие выводы многолетних данных, относящихся к разным географическим зонам, были опубликованы в работах С. А. Вериго (1948), С. А. Вериго и Л. А. Разумовой (1963). Оказалось, что состояние посевов зерновых хлебов бывает наилучшим при запасах продуктивной влаги в метровом слое суглинистых почв около 140—160 мм, что соответствует приблизительно 70— 80% наименьшей влагоемкости. При снижении запасов продуктивной влаги в тех же почвах до 80 мм (40—50% наименьшей влагоемкости) начинает ощущаться недостаток влаги и состояние посевов ухудшается. По стадиям развития указанные числа несколько варьируют, однако большинство наблюденных случаев совпадает с максимальными урожаями при запасах продуктивной влаги 140—160 мм в метровом слое почве.
На основании приведенных данных нетрудно заключить, что результаты многочисленных экспериментов, осуществленных в СССР в течение многих лет в разных географических зонах, при разном составе культурных растений, ни разу не подтвердили выводов американских ученых Веймейера и Хендриксона о равноценности влаги для растений в интервале от наименьшей влагоемкости до влажности завядания.
Мы остановились несколько подробнее на доказательствах наличия у растений интервала оптимальной влажности, чтобы показать, что потребность в воде культурных и дикорастущих растений не есть простая испаряемость, или максимально возможное испарение, потенциальное испарение, или, наконец, потенциальная эвапотранспирация, вычисляемые за период вегетации. Потребность растений в воде есть расход воды в полевых условиях на транспирацию и испарение с поверхности почвы при бесперебойном притоке влаги и воздуха к корневой системе растений, находящихся в определенном сообществе и, если речь идет о фитоценозах культурных растений, развивающихся при определенных, свойственных каждому типу культуры площадях питания, условиях освещения и агротехники.
При таком понимании потребности в воде растений, которую мы рассматриваем как биогеографическую категорию, зависящую от среды обитания и типа фитоценоза, а также от продолжительности его вегетации и ритма развития, не всегда можно приравнивать к указанной потребности испарение с водной поверхности, с переувлажненной обнаженной почвы или с постоянно переувлажненных болотных фитоценозов. Физическое объяснение несоответствия одного другому можно найти в работах М. И. Будыко (1951), А. Р. Константинова (1963), А. И. Будаговского (1964) и др. Однако при удачном выборе показателя, а также при численном совпадении потребности в воде фитоценозов и испаряемости за одновременный календарный период это не исключает правомерности расчета потребности в воде по тепловому балансу, испаряемости, дефициту влажности воздуха, сумме температур или какому-нибудь другому геофизическому показателю.
Если предположить, что испарение с постоянно увлажняемых болотных фитоценозов можно приравнять к потребности в воде хорошо развитого культурного фитоценоза за один и тот же календарный период вегетации, то такое допущение сразу вносит произвол в понятие о потребности в воде данного культурного фитоценоза: во-первых, подавляющее большинство культурных фитоценозов, кроме риса и сахарного тростника, возделывают при достаточном доступе воздуха к корням растений, что не свойственно болотам, и, во-вторых, не каждый болотный фитоценоз, вследствие недостаточного уровня накопления растительной массы может полностью исчерпать теплоэнергетические ресурсы данного пункта и года, что является одним из основных условий правомерности расчета потребности в воде по испаряемости или какому-либо другому геофизическому показателю. В литературе известны случаи (Иванов, 1953; Романова, 1955; Романов, 1962), когда культурные фитоценозы на осушенных болотах испаряли больше, чем рядом расположенные естественные болотные фитоценозы, несмотря на переувлажнение последних. Причина заключалась в том, что растительная масса естественных болотных фитоценозов оказалась при недостатке воздуха малой и, следовательно, неспособной полностью использовать ресурсы тепла на испарение. Таким образом, биофизические условия испарения оптимально увлажняемых культурных и избыточно увлажненных болотных фитоценозов несравнимы между собой, несмотря на то, что обеспеченность влагой растений в обоих случаях не лимитирует испарение.
Если рассмотреть другой случай, когда испарение с водной поверхности приравнивают за один и тот же календарный период к потребности в воде мощно развитого культурного фитоценоза, то и в этом случае сравнение методически и физически не оправдано. Имеются в виду достаточно большие площади, практически не подверженные воздействию краевого эффекта.
Известно, что водная поверхность и листовая поверхность фитоценоза характеризуются разной шероховатостью, разным влиянием ветра на коэффициент обмена D, что дневной ход альбедо водной поверхности и фитоценоза существенно отличаются между собой. Если альбедо водной поверхности в дневные часы изменяется в зависимости от угла падения солнечных лучей от 2 до 40%, то альбедо фитоценозов в те же часы изменяется от 15 до 25% (травянистые) и от 10 до 17% (древесные). В целом за теплый период года альбедо водной поверхности меньше альбедо зеленой поверхности фитоценоза. С этим связано и разное нагревание объектов, от которого непосредственно зависит испарение. Кроме этого, физическое состояние водной поверхности и биофизическое состояние фитоценоза за период от начала до конца вегетации изменяются неодинаково: водоем в основном накапливает тепло, не изменяя своих физических свойств, а фитоценоз изменяет в онтогенезе количество и качество листовой поверхности и всей составляющей его растительной массы. В начале вегетации фитоценозы и низких, и высоких урожаев не используют полностью ресурсов тепла вследствие недостаточной растительной массы, за исключением случая частого выпадения и достаточного количества в это время атмосферных осадков. При этих условиях наблюдается полное использование ресурсов тепла на испарение даже при недостаточной для этого растительной массы. В конце вегетации фитоценозы также не используют полностью энергетических ресурсов испарения, но уже по другой причине — по причине старения транспирирующих органов. Если в это время часто и в достаточном количестве выпадают осадки, то и в этом случае они полностью поглощают ресурсы тепла на испарение аналогично указанному для начального периода вегетации.
Следовательно, испарение с водной поверхности не отражает сезонного хода испарения с достаточно увлажняемого фитоценоза, оно обычно нарастает медленнее, чем испаряющая способность приземных слоев атмосферы и испарение с поверхности фитоценоза. В итоге потребность в воде оптимально увлажняемого фитоценоза в период максимального накопления растительной массы обычно превышает испаряемость в тот же период на 15—35%.
Иногда испарение с водной поверхности и испарение фитоценоза могут совпадать за длительный период, например за весь период вегетации. Это объясняется численным преобладанием испарения с водной поверхности в начале и в конце вегетации над испарением фитоценоза, что компенсирует его дефицит в разгар вегетации. Однако не каждый водоем и не во всех природных зонах может служить надежным эталоном для оценки испарения с достаточно увлажняемого фитоценоза.
Обобщая вышесказанное, можно заключить, что ни один геофизический показатель испарения, по крайней мере за короткий период времени, не является универсальным, надежным во всех географических зонах и провинциях для достоверной региональной оценки испарения фитоценозов, достаточно увлажняемых и высокопродуктивных. Даже за весь период вегетации (а иногда и в средних многолетних величинах) имеет место большая разница в числовых значениях экспериментально измеренного испарения фитоценозов и вычисленного по какой-либо предложенной для этого формуле. Это не значит, что нельзя регионально использовать расчетные методы для определения испарения с достаточно увлажняемых и достаточно продуктивных фитоценозов. Однако обязательным условием для получения достоверных в данном регионе результатов, подтверждаемых полевым экспериментом, является нахождение местных, региональных, коэффициентов, корректирующих параметры выбираемых для расчета формул. Необычайное изобилие формул, предложенных для расчета испарения с поверхности достаточно увлажняемых суши, растительного покрова и почвы, многие из которых претендуют на абсолютную непогрешимость, служит бесспорным доказательством их региональной ограниченности. Если бы формулы были пригодны для любых физико-географических условий, не было бы необходимости в таком большом их количестве.
Биофизические методы расчета испарения фитоценозов принципиально отличаются или, по крайней мере, должны отличаться от геофизических тем, что, будучи основаны на теоретических предпосылках, они должны достаточно надежно отражать региональные особенности среды обитания и биологические свойства фитоценоза.
Без введения в формулы дополнительных коэффициентов, корректирующих воздействие на испарение региональных условий, результаты расчета оказываются не точными.
Примеры несоответствия расчетных и фактических величин, характеризующих потребность в воде фитоценозов, имеются и в зарубежной и в отечественной литературе, посвященной проблеме испарения.
Нельзя не отметить еще одну важную особенность фитоценоза, не свойственную водной поверхности и не учитываемую почти всеми геофизическими методами расчета испарения,— способности формировать динамичный в онтогенезе фитоклимат. Фитоклимат является одним из могучих факторов регулирования испарения, особенно в условиях оптимального увлажнения. Достаточно вспомнить, что одиночно стоящие растения расходуют воды в 1,5—2 раза больше, чем в сообществе, чтобы понять значение хорошо развитого фитоценоза в регулировании водного режима. Чем интенсивнее испарение в мощно развитом фитоценозе, тем больше его регулирующее воздействие на расход воды, тем больше условий для образования инверсии в среде растений, на что было указано многими исследователями, в том числе и автором (Алпатьев, 1954).
Не каждый фитоценоз может образовать оптимальный, активно действующий на среду фитоклимат, а только тот, который имеет полное смыкание растений над поверхностью почвы (35— 40 тыс. м2/га), что соответствует условиям образования высоких урожаев. Наличие сомкнутого полога фитоценоза противоречиво влияет на формирование фитоклимата, транспирацию и суммарное испарение, на продуктивность фотосинтеза растений.
В мощно развитом фитоценозе с момента полного смыкания растений над поверхностью почвы ослабляется интенсивность радиации, значительно снижается турбулентный теплообмен (в 1,5—2 раза), что было экспериментально установлено в таких контрастных по климатическим условиям регионах, как пустыни Средней Азии в СССР, Белорусско-Украинское полесье, степи Украины (Лайхтман, Огнева, 1953; Архипова, Глебова и др., 1955; Дубинский и Олейник, 1966).
Под влиянием интенсивной транспирации снижается температура (средняя суточная температура уменьшается на 10° в гумидных регионах и на 5° в аридных) и повышается влажность воздуха (средняя суточная относительная влажность — на 5% в гумидных и до 40% в аридных регионах) внутри сомкнутого травостоя на высоте 50 см (Гольцберг, 1957). Все это вместе взятое обусловливает уменьшение испарения под воздействием самого фитоценоза. С другой стороны, сомкнутый травостой фитоценоза затрудняет приток углекислоты из атмосферы к листьям среднего и нижнего ярусов, ослабляет интенсивность фотосинтеза вследствие затенения листьев тех же ярусов. Последнее приводит, как известно, к уменьшению интенсивности накопления массы растений. Вследствие уменьшения суточных амплитуд температуры воздуха внутри густого растительного покрова возрастает затрата ассимилированных веществ на дыхание, что также снижает темпы накопления массы растений. Это обстоятельство, насколько автору известно, до сих пор не отмечалось в литературе, хотя конкретные его проявления наблюдаются очень часто в виде замедления темпов развития фитоценоза. Однако это замедление односторонне объясняют только снижением средней суточной температуры воздуха. Регулирующее воздействие фитоценоза на испарение и соответственно на режим потребности его в воде количественно нарастает, пока происходит накопление массы растений, после чего наступает второй период — период физического высыхания растений фитоценоза, когда на смену биофизическому приходит физическое воздействие сообщества, диаметрально противоположное первоначальному в связи с перегревом застойного воздуха среди высыхающих растений. Во втором периоде температура воздуха в сообществе отмирающих растений повышается, влажность воздуха снижается.
Из предыдущего обзора результатов исследований испарения фитоценозов в условиях достаточного и избыточного увлажнения суши вытекает вывод, что критерием потребности в воде фитоценоза могут быть только те валовые (испарение с почвы и транспирация) расходы воды в полевых условиях, которые получены при оптимальной для растений влажности почвы, что, в свою очередь, предполагает бесперебойное снабжение растений не только водой, но и воздухом, и питательными веществами.
И. Жентилли (I. Gentilli, 1953) высказал сомнение в возможности удовлетворения потребности в воде растений на том основании, что якобы никогда нельзя точно знать, сколько им ее нужно. Нам это представляется бездоказательным. Верно, что эта потребность динамична во времени и пространстве даже для одного и того же фитоценоза, что точно предугадать ее заранее в онтогенезе невозможно, если представлять ее абстрактно, вне связи с переменными метеорологическими условиями и возрастом фитоценоза. Однако она всегда адекватна изменению среды обитания растений, в частности изменению испаряющей способности атмосферы и степени обеспеченности растений влагой в каждый данный момент времени, а также уровню развития фитоценоза в онтогенезе, этапу органогенеза растений (Куперман, 1966).
И тем не менее нельзя отрывать потребность в воде фитоценоза от его продуктивности, от уровня урожайности. В этом аспекте за последние годы четко выявились два направления в трактовке потребности в воде фитоценозов: а) большему урожаю соответствует большая потребность в воде фитоценоза, б) большему урожаю соответствует большая потребность в воде до тех пор, пока имеются неиспользованные энергетические ресурсы, после чего дальнейшее повышение урожая не сопровождается ростом потребления воды. Мне представляются справедливыми при некоторых условиях обе точки зрения. Спорным здесь может быть лишь один вопрос: возможно ли строго фиксировать уровень биомассы фитоценоза, который можно считать критическим, т. е. точкой раздела двух качественно разных отрезков на кривой связи потребности в воде растений и валового урожая. Под валовым урожаем автор понимает всю продуцируемую фитоценозом биомассу — продуктивную и непродуктивную, включая корни растений.
В СССР первого направления последовательно придерживаются Л. А. Разумова, С. Б. Мастинская, Н. Б. Мещанинова, А. Д. Копыт, С. В. Любомудрова (1960), А. С. Конторщиков (1958), Д. И. Шашко (1957), В. В. Колпаков (1966), П. И. Колосков (1947) и др. Л. А. Разумовой и С. Б. Мастинской и другими предложены уравнения регрессии, устанавливающие зависимость урожая зерновых хлебов и других культурных растений от суммарных расходов воды за отдельные стадии и весь период вегетации.
При этом для засушливых регионов Кулунды, Казахстана и Заволжья получены высокие коэффициенты корреляции (0,80— 0,96) урожая с потреблением влаги, а также показаны пределы применения уравнений связи урожая с ресурсами влаги. Отдельные исследования были проведены в условиях орошения.
Аналогичные связи суммарных расходов воды с продуктивностью пастбищ были установлены в Казахстане А. П. Федосеевым (1964), а с продуктивностью кукурузы на Европейской территории СССР — Ю. И. Чирковым (1966) и т. д.
Необходимо, однако, отметить, что только некоторые из полученных Гидрометеослужбой данных могут быть отнесены к условиям бесперебойного снабжения растений водой, при которых выявляется действительная потребность в воде фитоценозов.
Для условий Кведлинбурга в ГДР К. Унгер (Unger, 1963) на основе опытов также получил несколько уравнений регрессии, связывающих испарение и другие метеорологические факторы с массой растений.
Р. Келлер (1965) предлагает определять потребление воды в зависимости от урожайности с помощью графика, построенного для ряда культурных растений в условиях Рейнской области ФРГ. Для альпийской луговой и древесно-кустарниковой растительности (14 растительных сообществ и 7 видов деревьев и кустарников) он приводит график и уравнение связи годового потребления воды w мм с годовой продуктивностью сырого веса F г/м2 и климатом z(t) в логарифмическом виде:
Величину z(t) Келлер считает пока неизвестной и приравнивает ее к нулю.
В Польше установлением связи потребления воды с урожайностью культурных растений занимался И. Остромесский (Ostromecki, 1958).
Во всех исследованиях этого рода общим является вывод о непрерывном росте потребления воды культурными растениями в зависимости от урожайности. Эти результаты отражают первый (I) отрезок на кривой связи потребности в воде и урожаев (рис. 12) и вполне надежны только для тех регионов (или близких к ним по природным условиям), на территории которых они получены. Кроме того, эти уравнения могут быть применены в ограниченных пределах урожаев.
Р. Келлер (1965), приводя график связи потребления воды с урожаем, не указывает, в каких пределах можно считать эти связи действительными. Из графика можно видеть, что для пшеницы и овса верхний предел ограничен 32—33 ц/га.
По данным Л. А. Разумовой и Н. Б. Мещаниновой, верхние пределы для яровой пшеницы соответствуют 25—35 ц/га. Автор (Алпатьев, 1954) для ранних зерновых хлебов и проса эти пределы ограничивает также урожаями порядка 25—35 ц/га, для картофеля 250—300 ц/га, для сахарной свеклы 400—500 ц/га и для хлопчатника 30—50 ц/га.
Изучая опыты последних 10—12 лет по вопросу о связи потребности в воде и урожая, автор пришел к выводу, что нельзя строго фиксировать нижний и верхний пределы первого отрезка кривой на рис. 12, так как они зависят не только от воды, но также от сорта и уровня агротехники, включая питание растений и плодородие почвы. По-видимому, каждому уровню плодородия почвы и уровню агротехники будет соответствовать своя кривая, в итоге эта связь может быть представлена в виде семейства кривых.
Сторонники второго направления в трактовке связи потребности в воде фитоценозов и их биологической продуктивности придерживаются других взглядов. По их мнению, необходимо различать два отрезка на кривой связи потребности в воде и урожаев (рис. 12). На первом отрезке кривой большему урожаю соответствует большая потребность в воде фитоценоза, на втором отрезке кривой увеличение урожая не сопровождается ростом потребности в воде, если теплоэнергетические
ресурсы исчерпываются полностью. Иначе говоря, испарение любого фитоценоза имеет свой предел, определяемый ресурсами тепла в данном географическом пункте при данных погодных условиях года, бесперебойном снабжении растений водой и достаточно высокой их продуктивности. Следовательно, необходимы некоторые минимальные уровни биологической продуктивности (урожайности), при которых суммарная потребность в воде фитоценозов всегда будет лимитирована ресурсами тепла и может быть рассчитана по испаряемости. В древесных фитоценозах суммарная потребность в воде увеличивается с возрастом деревьев (Молчанов, 1961; Яковлев, 1965) и достигает испаряемости только в период полной продуктивности (полного плодоношения в садах).
Если в период вегетации часто и в достаточном количестве выпадают атмосферные осадки, что создает условия оптимальной или близкой к ней влагообеспеченности растений, в этом случае даже при средних урожаях наблюдается полное использование теплоэнергетических ресурсов испарения. При этом значительная часть ресурсов влаги расходуется на испарение с поверхности почвы, т. е. непродуктивно, в противоположность условиям высокой продуктивности фитоценозов, когда не менее 80—90% всего испарения приходится на транспирацию растений.
Таким образом, при достаточно высокой продуктивности травянистых и древесных фитоценозов потребности их в воде при оптимальном увлажнении определяют внешние условия: солнечная радиация, температура, влажность воздуха и др. Это обстоятельство позволяет в расчетах суммарной потребности в воде фитоценозов за весь период вегетации не учитывать непосредственно массу растений. В этом случае основная задача исследователя, изучающего или проектирующего орошение и осушение, состоит в выборе или установлении такой формулы связи потребности в воде фитоценозов с испаряемостью, которая в данном регионе наиболее точно отображает местные условия. Это может быть выполнено путем привлечения к расчету данных по радиационному балансу, дефициту влажности воздуха, температуре воздуха и другим метеорологическим показателям при соответствующем подборе параметров, характеризующих биофизические свойства фитоценозов, с учетом реальных сроков начала и конца вегетации каждого фитоценоза. Здесь уместно подчеркнуть, что для некоторых фитоценозов бывает трудно определить конец вегетации, соответствующий прекращению потребности в воде. Например, кукуруза практически прекращает расход воды на ростовые процессы приблизительно за месяц до наступления полной спелости, а яровая и озимая пшеницы — за 10—12 дней. В связи с этим в перспективе важно уточнить окончание вегетации фитоценозов, чтобы избежать бесполезных затрат воды.
К настоящему времени появилось достаточно много сторонников второго направления, которые развивали или продолжают развивать биофизические методы изучения и расчета потребности в воде фитоценозов. В СССР в этом аспекте работали А. Н. Костяков, Р. Э. Давид, И. А. Шаров, Г. Т. Селя-нинов, А. А. Скворцов, В. П. Попов, А. М. Алпатьев, А. И. Будаговский, А. Р. Константинов, С. М. Алпатьев, Б. Н. Мичурин,
A. В. Процеров, И. А. Чхенкели, В. И. Алексеев, Н. В. Данильченко, Г. К. Льгов, В. А. Шаумян, Д. А. Штойко, П. Г. Тузов, Л. П. Серякова, А. Ф. Чудновский, Т. Н. Преображенский, М. М. Хамзаев, В. В. Романов, В. Я. Бакало, Б. В. Поляков,
B. Ф. Пушкарев, Ю. Л. Раунер, С. И. Харченко и др. За рубежом биофизические методы разрабатывают Д. Велев, Г. Марков, И. Я. Делибалтов, X. X. Христов, И. Е. Цонев в Болгарии, М. Пиха в Чехословакии, К. Матуль в Польше, X. Л. Пенман в Англии, Л. Тюрк во Франции, X. Блени и В. Криддл в США, В. Хауде в ФРГ, А. Прескотт в Австралии и др.
Одним из отличий биофизических методов расчета потребности в воде фитоценозов от геофизических является отображение изменения потребности в онтогенезе, по этапам органогенеза растений или стадиям развития. Дело в том, что в целом за вегетационный период потребность в воде фитоценоза можно безошибочно приравнять к испаряемости, вычисляя ее любым способом, наиболее точно отражающим местные природные, в том числе климатические условия. Если же геофизические методы пытаются использовать для расчета потребности в воде фитоценозов по стадиям развития, в этом случае обычно не получают надежных результатов без введения в формулы переменных коэффициентов, характеризующих сезонный режим испарения при оптимальной влагообеспеченности растений. Ко времени наступления бутонизации — цветения у однолетних или максимального прироста у многолетних растений потребность в воде фитоценозов всегда оказывается больше испаряемости, что предполагает наличие адвекции ресурсов тепла с окружающих фитоценоз территорий. В основе же этого явления лежит наследственный ритм развития растений, выработанный ими в результате повторения от поколения к поколению в течение миллионов лет конкретных темпов развития. Доказательств биологической природы ритма испарения фитоценозов можно привести более чем достаточно, о чем сообщалось в литературе (Алпатьев А. М., 1954, 1957, 1961, 1965, 1966) всякий раз, когда рассматривались биологические кривые испарения или биологические кривые потребления воды. Но самое веское из них было получено Н. А. Максимовым (1948), который, поместив растения в термостатной камере, несмотря на то что в ней поддерживались постоянные условия температуры и влажности, обнаружил обычный ритм развития растений.
Биологические кривые представляют собой ряд коэффициентов К, изменяющихся в онтогенезе от декады к декаде или от стадии к стадии вегетации и вычисляемых путем деления валового расхода воды q (транспирация плюс испарение с поверхности почвы при оптимальной влажности) за декадный или межфазный период на сумму дефицитов влажности воздуха ∑d за те же периоды:
Идея необходимости использования биологических кривых испарения в расчетах потребления воды при оптимальной влажности почвы в настоящее время разделяется многими, в том числе А. И. Будаговским, А. Р. Константиновым, С. И. Харченко, С. М. Алпатьевым, Г. Г. Белобородовой, Г. К. Льговым, Ю С. Мельником, И. А. Чхенкели, П. С. Сичинава, Д. И. Губеладзе, П. Г. Тузовым, Д. А. Штойко, Н. В. Данильченко; и за рубежом — Д. Велевым, Г. Марковым, И. Дворжаком, Н. Пиха, О. Денмидом, Р. Шоу и др. Некоторую аналогию с биологическими кривыми испарения можно найти в формулах расчета испарения А. Мейера, П. С. Кузина, Б. В. Полякова, X. Л. Пенмана, А. В. Процерова, В. В. Романова, В. Ф. Шебеко, Хауде и др., в которых предлагается пользоваться переменными месячными или сезонными коэффициентами.
В последние годы биологические кривые подтверждаются прямо или косвенно многочисленными исследованиями испарения фитоценозов методом теплового баланса (Б. А. Айзенштат, Т. В. Кириллова, Д. Л. Лайхтман, О. Д. Рожанская, А. Г. Торо-пова, В. В. Романов, Е. Н. Минаева, М. Жапбасбаев, О. М. Кон-торщикова, Д. А. Суюмбаев, Л. Э. Инт, Осташева и др.)-
Оказывается, что с момента полного смыкания листовой поверхности фитоценоза затраты тепла на испарение при оптимальной влажности почвы превышают величину радиационного баланса. Это превышение, по известным автору опубликованным работам, составляет 10—36% радиационного баланса. Если принять во внимание, что не все тепло остаточной радиации (радиационного баланса) расходуется на испарение, так как часть его, порядка 10—15%, составляет тепловой поток в почву, то доля адвективного тепла, расходуемого на испарение фитоценоза, возрастает еще более.
Эти факты указывают на неточность расчета режима испарения с оптимально увлажняемых фитоценозов по радиационному (балансу без введения переменных в онтогенезе растений коэффициентов, что также было отмечено В. В. Романовым (1953, 1962) при изучении испарения с болотных фитоценозов, В. Ф. Шебеко (1959, 1965) и др.
Примерные средние значения переменных коэффициентов биологической кривой испарения, полученные автором на основании многолетних опытов в Ленинградской области, приведены в табл. 15.
Для получения приблизительных расходов воды на испарение при достаточной влагообеспеченности и достаточной биологической продуктивности фитоценозов сумму средних суточных
дефицитов влажности воздуха за декаду вегетации (первую декаду вегетации отсчитывают, начиная от всходов) необходимо умножить на коэффициент биологической кривой испарения, соответствующий той же декаде: q = K∑d. Дефицит влажности воздуха в этих расчетах удобнее выражать не в миллибарах, а в миллиметрах, что дает возможность вести расчет водного баланса и водного режима с учетом атмосферных осадков.
В первой, считая от всходов, декаде вегетации ячменя и в первых двух картофеля и других пропашных культур коэффициенты необходимо изменять в зависимости от частоты выпадения и количества осадков. При влажной в это время погоде лучше брать максимальные, при сухой — минимальные значения коэффициентов. Биомасса в начале вегетации мала, полное смыкание листовой поверхности еще не наступает, и величину испарения в это время в основном определяет степень увлажнения поверхности почвы, а также и тепловое состояние почвы и приземных слоев атмосферы.
Несмотря на то что биологическая кривая для данного вида и сорто-типа растения относительно консервативна, коэффициенты биологической кривой испарения изменяются по регионам. Общая тенденция их изменения в умеренном поясе с продвижением из гумидных прохладных и умеренно теплых районов в аридные теплые и жаркие заключается в уменьшении числовых значений коэффициентов биологических кривых испарения. Отчасти это явление, по-видимому, обусловлено уменьшением в том же направлении, преимущественно с севера на юг, частоты смачивания осадками поверхности почвы, что приводит к убыванию доли испарения влаги непосредственно с самой почвы. Кроме того, возможно, что в транспирации фитоценоза, как биологически саморегулируемой системе взаимодействующих растений, проявляется инерционность процесса испарения, которая сказывается относительно мало или вовсе не сказывается в прохладном влажном климате и достаточно заметна и вполне измерима в теплом или жарком сухом климате. Этот интересный вопрос требует особого изучения, а пока можно высказать лишь предположение, нуждающееся в экспериментальных подтверждениях. Принципиально возможно использовать одну биологическую кривую для целой группы растений, у которых совпадают начало и конец вегетационного периода и ритм развития.
Так как по тепловому состоянию ежегодные декады вегетации фитоценозов неравноценны вследствие переменных из года в год погодных условий, то коэффициенты биологических кривых испарения более точно можно определять по режиму сумм температур (Алпатьев С. М., 1966), что позволяет совмещать пофазные коэффициенты по годам и даже по регионам для методических и других сравнений.
Биофизическими методами можно рассчитать и суммарную потребность в воде фитоценозов (потребность за весь период вегетации). Опыт показывает, что в этом случае расчет можно выполнить с достаточной точностью, порядка ± (10-15%), и без биологических кривых испарения, используя уравнения простейшего вида, предложенные разными авторами. Эти уравнения можно представить в виде
где Еф — суммарная потребность в воде фитоценоза, k — средний за период вегетации эмпирический коэффициент, f(R, D, t, v, i) — функция радиационного баланса R, дефицита влажности воздуха D, температуры t, скорости ветра v, продолжительности дня i за период вегетации конкретного фитоценоза.
Многие уравнения связи потребности в воде с метеорологическими факторами в условиях оптимальной влагообеспеченности не содержат показателя, характеризующего величину растительной массы, что не искажает результатов при достаточно высокой продуктивности фитоценоза.
При расчетах в уравнения вводят один или несколько переменных метеорологических показателей.
Результаты массовых опытов в разных природных условиях показывают, что суммарную потребность в воде фитоценозов с достаточной точностью, ± (10—15%), можно рассчитать также по уравнениям вида:
где Еф — суммарная потребность в воде, k — эмпирический коэффициент, R — радиационный баланс за период вегетации фитоценоза, ∑D и ∑T —суммы средних суточных дефицитов влажности воздуха и температуры воздуха за тот же период.
Выбор формулы определяет степень соответствия в данном регионе расчетных величин фактическим. Нетрудно заключить, что по структуре эти уравнения являются общими с уравнениями, полученными физиологами при изучении транспирации в первой четверти XX века, а также с уравнениями для расчета испарения с достаточно увлажняемых территорий (Э М Ольдекоп, А. Мейер, Г. Т. Селянинов, А. Н. Костяков, А. Прескотт Е. Мартонн, Р. Э. Давид, П. С. Кузин, В. П. Попов, Л К Давыдов, М. И. Будыко, Альберхт, X. Л. Пенман, Н. Н. Иванов В. С. Мезенцев и др.).
Для этой же цели можно использовать так называемые диффузные методы, основанные на теории обмена тепла и влаги в приземном слое воздуха. Однако они недостаточно разработаны и не всегда применимы для измерения испарения с фитоценозов (Романов, 1962; Данильченко, 1965). Кроме этого они дают в 2,5 раза больше случайных ошибок по сравнению с ошибками метода теплового баланса (Струзер, 1959).
В виде примера в табл. 16 приведено сравнение числовых величин суммарной потребности в воде (за весь период вегетации), установленной автором в полевых опытах при оптимальной влагообеспеченности растений и вычисленной по формуле Eф=к∑D.
В опытах были использованы следующие сорта: ячмень Винер, картофель Берлихинген, кукуруза Светоч. Опыты с ячменем и картофелем были проведены на Пушкинской базе (лесная зона), а с кукурузой на Майкопской базе (лесостепь предгорий Кавказа) Всесоюзного института растениеводства.
Достаточная надежность формулы вида Eф=к∑D. подтверждена опытами на Украине, в Грузии, Казахстане, Киргизии, Болгарии, Чехословакии. При этом коэффициент k, согласно опытам, необходимо варьировать по зонам и провинциям соответственно местным природным условиям.
Для древесных фитоценозов приблизительное равенство между их суммарной потребностью в воде и испаряемостью доказано исследованиями С. Ф. Федорова (1965), Ю. Л. Раунера (1965, 1966), С. А. Яковлева (1965) и др. Автором также было установлено (Алпатьев, 1958), что полезащитные лесные полосы на Кубани потребляют во влажные годы количество воды, равное испаряемости.
При вычислении суммарной потребности в воде фитоценозов в аридных и полуаридных регионах необходимо полученные величины корректировать путем умножения их на редукционные коэффициенты 0,8—0,9, если предполагается орошать крупные земельные массивы. В этом случае в результате орошения снижается дефицит влажности воздуха в приземном слое атмосферы по сравнению с его числовыми значениями в период, предшествовавший мелиорациям (М. И. Будыко, Л. П. Серякова, С. А. Яковлева, А. М. Алпатьев и др.), что уменьшает испаряемость и соответственно потребность фитоценозов в воде.
Значения редукционных коэффициентов в умеренном поясе для аридных регионов (пустынь и полупустынь) лучше принимать равными 0,80—0,85 и для полуаридных (степи и лесостепи) — 0,85—0,90.
Причины зональной дифференциации редукционных коэффициентов общеизвестны и заключаются в ослаблении влияния краевого эффекта на испарение с продвижением из аридных провинций низких широт в гумидные высоких.
Из изложенного выше нетрудно заключить, что для определения суммарной потребности в воде фитоценозов в различных природных зонах можно с одинаковым основанием использовать как биофизические, так и геофизические методы расчета. Если же возникает надобность рассчитать режим потребления воды, изменение потребности в онтогенезе растений, то более надежными оказываются биофизические методы с переменными в онтогенезе коэффициентами, характеризующими биологическую кривую испарения.
—Источник—
Алпатьев, А.М. Влагообороты в природе и их преобразования/ А.М. Алпатьев. – Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1969.– 323 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
