Исследованиями (8) установлено: «в летний период на всех типах почв в поверхностных сухих горизонтах при ночном снижении температур наблюдается конденсация атмосферной парообразной влаги в пределах 0,1 - 0,27 литра на 1 м2 в сутки. От 30 до 70% конденсируемой влаги поступает снизу, из глубжележащих почвенных горизонтов». Суммарный сезонный перенос влаги через горизонтальную плоскость в верхних горизонтах (10-20 см) достигает 25 мм.». «В каждой поре формируется ПОТОК дистиллята почвенного раствора, который орошает все живое, находящееся в почве: корни растений, семена, животных». Однако «многосуточного накопления конденсата атмосферной парообразной влаги в почве не наблюдается», семена должны успеть перехватывать сконденсированную на их поверхностях и прилежащих почвенных порах воду. При условии преобладания сорбции над десорбцией количество конденсированных атмосферных и капиллярных паров воды достаточно для прорастания семян в вегетационный период.
Рис. 3. Схема суточного термоградиентного переноса влаги в почве
1) дневной поток тепла в почву; 2) плёночная, менисковая и капиллярная вода; 3) минеральная часть почвы; 4) парообразная влага; 5) плоскость конденсации; 6) корни растений и движение воды в них; 7) ночной поток тепла.
Н. Ф. Кулик (7) провёл исследования зависимости интенсивности образования конденсата водяных паров в почве от температуры, влажности, размеров и засоления почвенных пор, а также вегетационные опыты проращивания семян пшеницы в почве и на дистилляте почвенного раствора в чашке Петри с целью установления влияние суточных колебаний температуры почвы и направления термоградиентного потока влаги на всхожесть и развитие проростков.
Семена и температура прорастания.
Посев семян начинают при прогреве почвы выше «критической» (по И.Б. Ревуту) температуры прорастания, эволюционно сложившейся для каждой культуры. Определены (9) три кардинальных (базовых) температуры выхода семян различных культур из состояния покоя и прорастания: минимальная - наименьшая температура, при которой начинается медленное прорастание; оптимальная, при которой прорастание происходит наиболее быстро; максимальной называется температура, при переходе за которую прекращается прорастание семян
Скорость прорастания семян изменяется линейно: повышается с ростом температуры от минимальной до оптимальной и снижается с ростом оптимальной до максимальной. На скорость прорастания семян решающее влияние оказывает амплитуда и количество колебаний суточных температур - термодинамических циркадных циклов (10). С увеличением амплитуды скорость всхожести семян увеличивается по сравнению с постоянной температурой, при этом уменьшается количество циклов, необходимых для их прорастания.
Н.Ф. Кулик (7) в полевом «Вегетационном опыте №2», проводимом в чашках Петри, исследовал прорастания семян на конденсате, полученном из испарившейся воды из тряпки (тряпка играла роль источника атмосферной парообразной воды). Было установлено: увеличение величины суточных колебаний температуры способствуют увеличению суммарной длины стеблей и корней по сравнению с прорастанием семян в изотермических условиях. Н. Ф. Кулик связывает это с увеличением термоградиентного переноса влаги в семена.
Им же (7) проведена серия экспериментов, показывающих роль направления термоградиентного потока влаги в почве на прорастание семян. В «Вегетационном опыте №3» исследовалось влияние направления термоградиентного потока влаги на прорастание пшеницы. Опыт проводился в чашках Петри (рис.4): «на крышку герметикой наклеивалась толстая ткань («драп») 4, а на дно чашки - 20 зёрен пшеницы, ткань смачивалась водой (0,3г./л.). Собрали 5 чашек в одну колонну, обмотали по бокам поролоном и колонну поместили в металлический цилиндр. Сверху поставлена 15-ваттная электрическая лампочка, которая горела в течение 7 дней (рис.4 «а»). Температура на поверхности верхней чашки была 37°, на нижней чашке 27°. Через 7 дней во всех чашках появились проростки таких же размеров, как и в предыдущем опыте».
Рис. 4 (авт.) Схема опытов по исследованию влияния направления термоградиентного потока влаги на проращивание семян.
где: 1- чашка Петри; 2- крышка; 3- семена пшеницы; 4- ткань (драп); 5 - цилиндр; 6 - поролон.
«В следующем варианте этого же опыта источник тепла был помещён под чашками Петри (рис.4 «б»). После 9 суток прогрева из 100 зёрен в 5 чашках не проросло ни одного зерна. Тепловой поток «отжал» парообразную влагу, хотя мокрая ткань находилась в 2 мм от зёрен».
В рамках теории циркадных ритмов (J. C. Hall, M. M. Rosbash, M. W. Young) (11) семена, являясь живыми растительными организмами, имеют автономный суточный генератор ритма («времязадаватель») и способны настраиваться к факторам прорастания окружающей среды, прежде всего к величине амплитуды суточных колебаний температуры, что позволяет им ускорять или замедлять поглощение воды и соответственно прорастание.
Сеятель, регулируя температуру почвы, может управлять прорастанием семян. Физические основы такого регулирования температуры известны, это изменения альбедо, микро и миди рельефа поверхности почвы, её температуропроводности, скорости обмена атмосферного воздуха в почве и во вне и т.п. (5).
Активное поглощение семенами воды.
Кроме пассивных механизмов - барической и концентрационной диффузий поступление воды в семя происходит и с помощью активного механизма - электродиффузии, идущей осмотическим путём. Л.К. Черновой (12) выявлены поверхностные биоэлектрические потенциалы (ПБЭП) семян, появляющиеся при определённом уровне их набухания, имеющие колебательный характер и гармонирующую с ним скорость поглощения семенами воды. Движущей силой электродиффузии являются ПБЭП семян, взаимодействующие с диполями воды (13). Для повышения всхожести сеятели обрабатывают семена различными электромагнитными полями. В результате на их поверхности индуцируются ПБЭП, которые позволяют сместить равновесие паров воды в сторону адсорбции, увеличив её скорость на начальном этапе прорастания семян (там же).
Модель семенного ложа.
Предлагается вербальная прогнозная модель семенного ложа, ядром которой является пористый, объемно-многослойный, оппозитный, двух цикловой, термодинамический конденсатор (ТДК) с водно - воздушным охлаждением, являющийся преобразователем парообразной воды в капельножидкую. ТДК представляет собой открытую термодинамическую систему, обменивающуюся с окружающей средой теплом, водой, кислородом и углекислым газом.
ТДК состоит из следующих слоёв (рис.5): А - подсеменной; Б - конденсационный; В - трансмиссионный; Г - органической мульчи; Д - междурядный;
Рис. 5
где: 1- семя; 2 - комки почвы; 3 - почвенные поры; 4 - водный конденсат; 5 - почвенные капилляры; 6 и 9 - источники тепла; 7 - влажный воздух; 8 и 10 - источники холода.
Как тепловая машина ТДК состоит из: 1) нагревателей - нагретого атмосферного воздуха (днём) и нагретой почвы подсеменного слоя (ночью), 2) холодильников - охлаждённого атмосферного воздуха (ночью) и почвы подсеменного слоя (днём), 3) рабочего тела - воды, циклически меняющей агрегатное состояние «пар - жидкость».
Каждый из перечисленных слоёв играет свои роли в ТДК. Оптимальное функционирование ТДК определяется свойствами каждого слоя и пространственно-взаимодополняющими связями между ними. Количество и предпочтительные диапазоны параметров слоёв, их взаимодополняющие зависимости установлены на основе обобщения экспериментальных исследований почвоведов и многолетнего опыта сеятелей.
Подсеменной слой.
Актуальным постулатом качественного посева считается необходимость оптимально переуплотнять посевное ложе с целью оптимального обеспечения водой (капиллярной), питательными веществами и кислородом семян и корней. При этом параметры «оптимальности переуплотнения» не определены, нося субъективный характер. Любое переуплотнение почвы закупоривает капилляры подсеменного слоя, создаются «чётки Жамена», прекращающие поступление капиллярной воды к семенам.
При рыхлении подсеменного слоя (рис. 2 «а») его капилляры разрушаются, увеличивается удельная поверхность почвенных частиц, которые захватывают диполи свободной воды, и она становятся мало или недоступна семенам. Создаётся проход атмосферного воздуха сквозь конденсационный и рыхлый подсеменной слои, превращая их в трансмиссионный слой. Подсеменной слой перестаёт быть «дневным холодильником»; образование дистиллята в этом случае будет происходить не в конденсационном слое, а ниже подсеменного слоя в порах не взрыхленной почвы. Без дождя или уплотнения подсеменного слоя семена не всходят. Эту ситуацию демонстрируют модель И.Е. Овсинского (рис.1«Б») и второй вариант «Вегетационного опыта №3» Н.Ф. Кулика (7).
Ночью атмосферный воздух охлаждает почву трансмиссионного и конденсационного слоёв. Из-за более высокой температуры капилляры подсеменного слоя становятся источником водяных паров, превращающихся в конденсационном слое в капельножидкую воду. Стабильность работы ночного источника паров может обеспечивать только вода не взрыхленных и не закупоренных капилляров подсеменного слоя.
Конденсационный слой.
Другим актуальным постулатом посева является необходимость создания «хорошего контакта» семян с почвой. Существует мнение (10), что «контакт семян с почвой определяется как увлажнённая площадь в контакте с семенами». Исследования с помощью рентгеновской компьютерной томографии показали - фактический контакт семян с почвой очень низок; от площади поверхности семян голые (необработанные) имели площадь контакта около 15,19%, а гранулированные и покрытые оболочками - 31,85%». S. Blunk с коллегами утверждают: «этого процента контакта семян с почвой недостаточно, чтобы судить о влиянии почвы на всхожесть», что «ставит под сомнение субъективную классификацию, такую как “хороший” контакт семян с почвой».
Вегетационные опыты №2 и №3 Н.Ф. Кулика (7) показали: при отсутствии связи с атмосферой в закрытом пространстве чашки Петри прямой контакт семени с источником воды для его прорастания не обязателен, семена прорастают при расстоянии 2 мм. от источника.
Задача конденсационного слоя - создать условия образования вокруг семян капельножидкой воды в количествах, необходимых для их быстрого и равномерного прорастания. Конденсационный слой образует пористая почва, окутывающая лежащие на поверхности подсеменного слоя семена и создающая «эффект айсберга». Эффект заключается в том, что «к семени от каждого почвенного агрегата, находящегося с ним в контакте, поступает больше воды, чем предполагалось с учетом только размера площади контакта» (10). Капельножидкая вода из «айсберга» термодинамическим путём перетекает по минеральным частицам к поверхности семян (рис. 3). Объем окутывающей почвы зависит от размеров семян, их пространственного расположения в бороздке и параметров трансмиссионного слоя.
Процесс конденсации в слое двух цикличен: днём дистиллят формируется из атмосферных водяных паров, ночью - из паров капиллярной воды подсеменного слоя.
Параметры физического состояния слоя оказывают решающее влияние на стабильность поступления к семенам капельножидкой воды. Зависимости стабильной конденсации от состояния слоя экспериментально установлены Куликом (7):
- при увеличении температуры порового пространства интенсивность термопереноса паров воды (ТППВ) увеличивается. «Тёплые» грунты (песчаные, супесчаные) по интенсивности влагопереноса почти на порядок выше «холодных (глинистых). Температуру порового пространства ТДК следует доводить до оптимального для прорастания семян уровня выбором срока посева, а при но-тилле и регулированием альбедо поверхности почвы;
- стабильный ТППВ происходит в почвах с влажностью не ниже влажности завядания (ВЗ), в противном случае перенос резко уменьшается («Опыт с почвой»). Это известное проявление капиллярно-конденсационного гистерезиса смачивания - сухая поверхность хуже смачивается водой. Таким образом почва конденсационного слоя должна иметь влажность не ниже ВЗ;
- интенсивность ТППВ зависит от величины порового пространства: минимальная величина переноса характерна для мелких пор (0,2-0,3 мм). При увеличении порового пространства перенос увеличивается, однако в крупных порах (> 5 мм) появляется конвекционный перенос, и десорбция паров воды преобладает над сорбцией. Благоприятный водно-воздушный режим почв создают агрегаты, с размером диаметра более 0,25 мм., поскольку только в порах почвенных агрегатов и меж агрегатных полостей совершаются все физические, химические и биологические процессы;
- опыт с фильтровальной бумагой показал: при засолении слоя, которое появляется при внесении минеральных удобрений, интенсивность ТППВ уменьшается почти двое.
Кислород и углекислый газ являются основными биологически активными газами в почве и для прорастания семян необходим воздухообмен между атмосферой и конденсационным слоем, который также зависит от размеров агрегатов: при их размере 0,1 - 0,2 мм. воздухопроницаемость равна 100%., а при размере мельче 0,05 мм. воздухопроницаемость отсутствует, в порах слоя начинает преобладать углекислый газ, семена погибают (3). Колебания температуры конденсационного слоя улучшают газообмен и состав почвенного воздуха.
Таким образом, величину агрегатов конденсационного слоя следует доводить до размеров 1- 5 мм. и определять из известного условия - "размер почвенных агрегатов должен быть близок к размеру семян».