К вопросу о строении оптимального семенного ложа
Владимир Ильич Сесякин
Аннотация
Осуществлён анализ актуального взгляда на строение семенного ложа. Показаны: его фрагментарность, отсутствие причинно-следственных связей между строением ложа, его функциями и феноменом прорастания семян, квалификация строения ложа субъективными оценками. Предложены: вербальная прогнозная модель семенного ложа, состоящего из подсеменного, конденсационного, трансмиссионного, органической мульчи и междурядных слоёв, оценка качества посева по оптимальным факторам прорастания семян. Определены взаимозависимости строения слоёв ложа с их функциями и с циркадными термодинамическими ритмами в системе «приземный слой атмосферы - семя - почва».
Ключевые слова: семенное ложе, слои ложа, факторы прорастания семян, капельножидкая вода, циркадные ритмы, термодинамический конденсатор. капельножидкая вода семенное ложе
On the question of the structure of the optimal seedbed.
Vladimir Ilyich Sesyakin.
Annotation
The analysis of the current view on the structure of the seedbed is carried out. The following are shown: its fragmentation, the absence of causal relationships between the structure of the bed, its functions and the phenomenon of seed germination, the qualification of the structure of the bed by subjective assessments. The following are proposed: a verbal predictive model of a seedbed consisting of subseed, condensation, transmission, organic mulch and inter-row layers, an assessment of the quality of sowing by optimal factors of seed germination. The interdependencies of the structure of the layers of the bed with their functions and with circadian thermodynamic rhythms in the system "surface layer of the atmosphere - seed - soil" are determined.
Keywords: seedbed, bed layers, seed germination factors, drip-liquid water, circadian rhythms, thermodynamic condenser.
Введение
Семенное ложе - колыбель, в которой созревшее семя, повторяя жизненный цикл, вновь превращается в растение. От качества семенного ложа зависят полевая всхожесть и скорость прорастания семян, равномерность развитие проростков - ключевых факторов урожайности. Как показывает анализ диссертаций, научных статей и рекомендаций сеятелям о создании семенного ложа, агротребования в них фрагментарны, а не системны, квалифицируются субъективными оценками, показывают корреляцию, но не причинно-следственные связи феномена прорастания семян со строением ложа, функциями его слоёв и с термодинамическими циркадными ритмами в системе «приземный слой атмосферы - семя - почва».
В ареалах естественного обитания семенным ложем была и остаётся поверхность почвы: упав с материнского растения на почву, семя прорастает при наступлении благоприятных погодных условий. Почему же человек сеет семена в бороздку? Ответ очевиден - чтобы сохранить их от птиц и грызунов, от ветровой и водной эрозий. При переходе от собирательства к культивированию растений люди начали создавать семенное ложе палкой-копалкой - сначала отверстие, а затем перешли на более производительный способ: делать борозду, слегка царапая почву мотыгой, чтобы прикрыть ею семена.
«Палочная» (мотыжная) технология была первым вариантом беспашенного земледелия. В течение тысячелетий эта технология трансформировалась в пашенную, минимальную и полосовую (стрип-тилл). На современном этапе развития растениеводства «палочная» технология возвращается на более высоком технологическом уровне в технологию беспашенного земледелия - «но-тилл».
Не останавливаясь на причинах перехода от «палочной» технологии к пашенной и возврата к ней, следует подчеркнуть применение в них общего способа посева семян - в бороздку. Различия между технологиями заключается в границах площади обработки почвы до и после посева. В пашенной и минимальной технологиях обработка до посева производятся на всей площади, в стрип-тилле - в полосе, а послепосевные операции, как правило, преимущественно в бороздке. Имеется мнение, что в но-тилле какой-либо предварительной обработки почвы не допускается. Это мнение внутренне противоречиво: посеять семена в почву, не подвергая её механической обработке, невозможно!
При посеве семян сидеральных культур на поверхность почвы, получающий распространение в технологии но-тилл и осуществляемый в теплый период, должны создаваться условия, схожие с их прорастанием в бороздке.
Во всех перечисленных технологиях ключевыми целями посева являются доведение полевой всхожести семян до потенциальной (лабораторной), равномерное и быстрое развитие проростков. Цели могут быть достигнуты созданием в бороздке оптимальных параметров факторов прорастания: воды, тепла, воздуха, света, состояния почвы, элементов питания. Е.В. Шеин (1) считает, что это «оптимизационная задача высокой сложности, для решения которой необходимо создание прогнозной модели, в полной мере учитывающей целевое назначение почвенной конструкции и особенности конкретных условий; рассчитать в почвенной конструкции необходимое оптимальное количество слоев, чередование этих слоев, их гранулометрический состав, плотность и прочее, рассчитать так, как рассчитывают инженерные сооружения».
Цель и задачи исследования: вербально обосновать строение и параметры прогнозной модели оптимального многослойного семенного ложа, для чего рассмотреть этапы научных представлений о строении семенного ложа в форме аналитического обзора, изложить современные научные знания о факторах прорастания семян и развития проростков, их параметрах и влияния на них строения каждого слоя ложа, взаимозависимости слоёв от их строения и циркадных термодинамических ритмов в системе «приземный слой атмосферы - семя - почва».
Метод и материалы
Применен метод синтеза результатов отечественных и зарубежных аналитических исследований о связях факторов прорастания семян и развития проростков со строением семенного ложа.
Результаты и обсуждение.
Модель И.Е. Овсинского.
У истоков создания модели семенного ложа стоял И.Е. Овсинский (2). Изучив труды современников, он успешно реализовал модель, создаваемую «мелкой, двухдюймовой вспашкой, подкрепленной действием экстирпатора», в котором «семена равномерно прорастают без дождя после сева». Им выделено два слоя семенного ложа (рис.1 «А»): надсеменной (ав) и подсеменной (вг) и обоснованы требования к строению каждого слоя: подсеменной слой, на который укладываются семена, должен иметь влажную волосную (капиллярную) ровную поверхность, не тронутую плугом; надсеменной слой должен быть тонким (до 2-х дюймов), сухим и рыхлым.
И.Е. Овсинский так объяснял действие факторов прорастания в предложенной модели: «почва всегда доступна для воздуха, температура низших слоев её постоянно настолько низка, что находящийся там воздух быстро дает ОСАДОК ВЛАГИ, и, наконец, почва остается волосной, так что вода может подниматься к верхнему слою. Ночью же верхний слой охлаждается и задерживает влагу, испаряющуюся в низших слоях».
Рис.1. Модели семенного ложа И.Е. Овсинского (рис.1«А» и «Б») и современные модели (рис.1«В» и «Г»).
- рис.1«А»: аб - поверхность почвы; - ав - двухдюймовый слой рыхлой почвы; - вг - верхняя поверхность нетронутой волосяной почвы, на которую падают семена и всходят без дождя;
- рис.1«Б»: жз -- поверхность почвы; абвгде -- неровный волосной слой после рыхления почвы драпаком, скоропашкой, экстирпатором с неправильно размещенными лапами;
- рис.1«В»: предпосевное прикатывание взрыхлённого слоя почвы; 1 - слой почвы ниже дна обработки; 2 - уплотнённая часть взрыхлённого слоя почвы до посева, 4 - рыхлый верхний слой почвы;
- рис.1«Г»: предпосевное и послепосевное прикатывание взрыхлённого слоя почвы; 3 - уплотнённая часть слоя почвы с семенами после посева.
Им было указано на «ошибочность укатывания почвы после посева, поскольку нарушится проницаемость почвы для воздуха и после такой варварской операции (поля) покроются корою и потрескаются». Он описал модель ложа (рис.1«Б»), в которой подсеменной слой местами рыхлится и пояснил пестроту всходов семян в отсутствии дождя после сева: «на такой неровной поверхности прорастут только те семена, которые упадут на промежутки аб, вг и де, остальные же семена, расположенные в местах, взрыхленных глубже, без дождя никаким образом не взойдут, почему в сухую осень или весну всходы бывают пестрые: одни растения всходят без дождя, другие только спустя несколько недель после дождя, а если его нет, то и вовсе не всходят».
Со времён написания «Новой системы земледелия» по настоящее время накопился огромный объём знаний в таких отраслях наук, как биология семян, почвоведение, земледельческая механика, физика почв и других, так или иначе связанные с посевом семян. Начался переход на новый технологический уклад - беспашенное земледелие и цифровизация технологических процессов, накопились как положительные, так и отрицательные факты, проявляющиеся при посеве по новой технологии. Всё это позволяет уточнить и дополнить конструкцию семенного ложа И.Е. Овсинского.
Современные исследователи, признавая эффективность модели И.Е. Овсинского, не ставят задачу её совершенствовать и разрабатывать устройства для её осуществления. Ими предлагаются технологии сева, в которых вначале ухудшаются условия для прорастания семян, а затем изыскиваются возможности их улучшить (рис.1«В» и «Г») (3).
Вода и семя.
Вода - пусковой фактор прорастания семян. Семена по своему строению - коллоидные капиллярно пористые тела - капиллярами пронизана вся их межклеточная структура. Как во всякой пористой среде в них происходит процесс капиллярной конденсации - адсорбция поверхностью капилляров паров воды, содержащихся в окружающем воздухе, и преобразование их в дистиллят. Адсорбция осуществляется осмотическим путём всей поверхностью семенных капилляров, а на определённой стадии прорастания вода поступает через каналы - аквапорины.
Между семенем и воздухом идет постоянное противодействие: сорбция - впитывание семенем воды из воздуха и десорбция - поглощение воздухом воды из семени. Чередование увлажнения и подсушивания семени с сохранением жизнеспособности происходит до начала его проклёвывания. После проклёвывания десорбция воды из семени может привести к его гибели.
Прорастание семян возможно только при превышении сорбции над десорбцией. Направление перемещения воды задаётся парциальными давлениями водяных паров у поверхности семени и в окружающем воздухе, т.е., бародиффузией. Если давление паров у поверхности семени меньше, чем в воздухе, идёт поглощение воды семенем, в противном случае семя обезвоживается. В случае уравнивания парциальных давлений паров у семени и в воздухе наступает состояние динамического равновесия и влагообмен между ними прекращается. При относительной влажности воздуха, равной 100%, устанавливается максимальная равновесная влажность - предел, до которого семя может сорбировать пары воды из воздуха (таб.1).
Таб.1. Равновесная влажность семян (%) различных культур при температуре 25 -28 0С. (В.А. Зальцман. «Гигроскопические свойства зерна: влияние на технологию хранения». ж. "Нивы России" №3. 2017.г.)
Однако максимальная равновесная влажность недостаточна для прорастания семян, только поглощение капельножидкой воды позволяет им прорасти (таб.2) (4). Капельножидкая вода поступает в семя осмотическим путём с помощью концентрационной диффузии.
Таб.2. Влажность семян (%), необходимая для их прорастания. («Значение влаги для прорастания семян (часть 2)». https://agro-portal24.ru/semenovedenie/4937-znachenie-vlagi-dlya-prorastaniya-semyan-chast-2.html.)
Для управления процессом получения и поглощением семенем воды в системе «приземный слой атмосферы - семя - почва» применим известный принцип Ле Шателье -- Брауна, гласящий: «если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя одно из условий равновесия: температуру, давление, концентрацию, внешнее электромагнитное поле, то в системе усиливаются процессы, направленные в сторону противодействия изменениям».
Вода и почва.
Почвоведы утверждают: «вода в почве и в ведре не одно и тоже». Между тем в научном сообществе и среди практиков применяется обобщённое понятие «влажная почва», как параметр условий всхожести семян.
Вода в почве в зависимости от характера взаимосвязи между ними обладает разной доступностью семенам. Минеральные частицы почвы, имеющие электрический заряд, удерживают молекулы (диполи) воды с разной степенью в зависимости от расстояния между ними (рис.2 «а»). Семенам, как и растениям, доступна свободная вода - гравитационная, капиллярная и рыхлосвязанная и не доступна прочно связанная.
Рис. 2. Вода в почве. а) силы, удерживающие воду в почве и её доступность семенам; б) перенос воды в капилляре.
Гравитационная вода (дождевая, талая) - эффективный, но ненадежный источник. Растения потребляют преимущественно капиллярную воду корнями, находя путь к ней благодаря акватропизму. Семена до прорастания корешка такой способностью не обладают, вода сама должна прийти к ним. Для этого вода капилляров, удерживаемая силами поверхностного натяжения, притяжения частицами почв и трения должна испариться и вновь сконденсироваться, охладившись до точки росы (рис. 2 «б») (5).
И.Е. Овсинский указал на ещё один источник доступной воды - атмосферную ирригацию - водные пары атмосферного воздуха, конденсированные в бороздке. В агрономической науке этот источник рассматривается как гипотетически возможный (6), а создатели сеялок и сеятели считают воду почвенных капилляров единственным источником.
Конденсации паров воды в почве.
Почва, как и семена, пористая среда, в объеме которой происходит процесс трансформации паров воды в конденсат. Современными исследованиями определены механизм и зависимости интенсивности конденсации паров атмосферной и капиллярной воды от параметров состояния пор поверхностных сухих горизонтов (10-20 см) почвы. Конденсация является следствием суточного (циркадного) изменения потока теплоты в почвенных порах, в результате в поровом пространстве происходит перенос капельножидкой воды. Сущность влагопереноса следующая (7) (рис. 3). Дневной цикл: «в поровом пространстве при дневном прогреве верхняя поверхность поры тёплая. Здесь происходит испарение. Нижняя часть поры холодная. Здесь происходит конденсация. Вследствие этого объём воды на холодной поверхности увеличивается, и она перетекает на верхнюю плоскость нижней поры. Процесс испарения и конденсации повторяется. Ночной цикл: «ночью направление теплового потока меняется на противоположное. Тепло и влага двигаются к поверхности почвы».