Круговорот воды

Из всех циклических процессов, протекающих в природе, наиболее широко известен гидрологический цикл, или круговорот воды. Он состоит из трех отдельных процессов:

- испарения воды (с поверхности озер, прудов, ручьев, болот, рек и океанов); - конденсации паров;

- выпадения осадков и их стока.

Помимо испарения воды с поверхности вода выделяется растениями, а также физиологическим путем (транспирацией). Однако с поверхности океанов испаряется больше воды, чем возвращается обратно в виде дождей. На суше складывается обратная ситуация: здесь количество воды, испарившейся с поверхности почвы, растений, водоемов, меньше, чем количество осадков, выпадающих в виде дождя (исключение составляют пустыни, где испарение преобладает над осадками). Баланс между количеством осадков и испарением достигается в результате стока воды с суши в океаны в виде рек, ручьев, грунтовых вод (Рисунок 13.1).

Рисунок 13.1 Круговорот воды без участия человека

На Рисунок 13.2 показано воздействие человека на гидрологический цикл. Хозяйственная деятельность человека сильно влияет на круговорот воды в природе. Это влияние может быть целенаправленным и случайным. Например, в промышленных районах количество осадков увеличивается, причиной тому служит обилие мельчайших частиц минеральных веществ, которые ускоряют конденсацию водяных паров. В качестве другого примера приведем усиление стока воды после уничтожения растительного покрова, который в известной степени улавливает и удерживает воду, проникающую в почву.

Рисунок 13.2 Круговорот воды в природе с участием человека

Менее влажная почва приводит к уменьшению в ней микроорганизмов. Дождевая вода, однако, полностью не свободна от примесей, так как в ней растворяются различные частицы и газообразные вещества, присутствующие в воздухе. И все же дождевая вода отличается большей чистотой. Там, где скудны запасы подземных вод и практически нет рек и водоемов, люди пользуются для своих нужд дождевой водой. Человек воздействует на гидрологический цикл следующим образом: - изменяет направление стоков; - снижает содержание влаги в почве, уничтожая таким образом естественный растительный покров; - загрязняет воздушную среду, вследствие чего увеличивается интенсивность осадков; - загрязняет саму водную среду.

Транспира́ция

Транспира́ция (от лат. trans и лат. spiro — дышу, выдыхаю) — это испарение воды растением (Рисунок 13.3). Основным органом транспирации является лист. Вода испаряется с поверхности листьев через клеточные стенки эпидермальных клеток и покровные слои (кутикулярная транспирация) и через устьица (устьичная транспирация). В результате потери воды в ходе транспирации в клетках листьев возрастает сосущая сила. Это приводит к усилению поглощения клетками листа воды из сосудов ксилемы и передвижению воды по ксилеме из корней в листья («нижний концевой двигатель»). Таким образом, «верхний концевой двигатель», участвующий в транспорте воды вверх по растению, обусловлен транспирацией листьев. Верхний концевой двигатель может работать при полном отключении нижнего концевого двигателя, причем для его работы используется не только метаболическая энергия как в корне, но и энергия внешней среды — температура и движение воздуха. Транспирация спасает растение от перегрева. Температура сильно транспирирующего листа может примерно на 7 С° быть ниже температуры нетранспирирующего завядшего листа. Кроме того, транспирация участвует в создании непрерывного тока воды с растворенными минеральными и органическими соединениями из корневой системы к надземным органам растения.

Количественные характеристики транспирации

Интенсивность транспирации — это количество воды, испаряемой растением в г за единицу времени в часах единицей поверхности в дм². Эта величина колеблется от 0,15 до 1,5.

Транспирационный коэффициент — это количество воды в г, испаряемой растением при накоплении им 1 г сухого вещества.

Продуктивность транспирации — это величина, обратная транспирационному коэффициенту и равна количеству сухого вещества в г, накопленного растением за период, когда оно испаряет 1 кг воды.

Относительная транспирация — это отношение воды, испаряемой листом, к воде, испаряемой со свободной водной поверхности той же площади за один и тот же период времени.

Экономность транспирации — это количество испаряемой воды в мг на 1 кг воды, содержащейся в растении.

Подсчитано, что с 1 га посева пшеницы выделяется около 2 тыс. т воды, кукурузы — 3,2 тыс. т, капусты — 8 тыс. т.

Кутикулярная транспирация

Снаружи листья имеют однослойный эпидермис, внешние стенки клеток которого покрыты кутикулой и воском, образующие эффективный барьер на пути движения воды. На поверхности листьев часто развиты волоски, которые также влияют на водный режим листа, так как снижают скорость движения воздуха над его поверхностью и рассеивают свет и тем самым уменьшают потери воды за счет транспирации. Интенсивность кутикулярной транспирации варьирует у разных видов растений. У молодых листьев с тонкой кутикулой она может составлять около половины всей транспирации. У зрелых листьев с более мощной кутикулой кутикулярная транспирация равна ¹/₁₀ общей транспирации. В стареющих листьях из-за повреждения кутикулы она может возрастать. Таким образом, кутикулярная транспирация регулируется главным образом толщиной и целостностью кутикулы и других защитных покровных слоев на поверхности листьев.

Устьичная транспирация

Устьица представляют собой щель в подъустьичную полость, окаймленную двумя замыкающими клетками серповидной формы. Устьица играют важную роль в газообмене между листом и атмосферой, так как являются основным путем для водяного пара, углекислого газа и кислорода. Устьица находятся на обеих сторонах листа. Есть виды растений, у которых устьица располагаются только на нижней стороне листа. В среднем число устьиц колеблется от 50 до 500 на 1 мм². Транспирация через устьица идет почти с такой же скоростью, как и с поверхности чистой воды. Поэтому, хотя площадь устьичных отверстий мала по отношению к площади всего листа (0,5-2 %), испарение воды через устьица идет очень интенсивно.

Транспирация слагается из двух процессов:

1. передвижения воды в листе из сосудов ксилемы по симпласту и, преимущественно, по клеточным стенкам, так как в стенках транспорт воды встречает меньшее сопротивление

2. испарения воды из клеточных стенок в межклетники и подъустьичные полости с последующей диффузией в окружающую атмосферу через устьичные щели.

Периодичность суточного хода транспирации наблюдается у многих растений, но у разных видов растений устьица функционируют неодинаково. У деревьев, теневыносливых растений, многих злаков и других гидростабильных видов с совершенной регуляцией устьичной транспирации испарение воды начинается на рассвете, достигает максимума в утренние часы. В полдень транспирация снижается и вновь увеличивается в предвечерние часы при снижении температуры воздуха. Ночью транспирация минимальна или полностью прекращается.

Рисунок 13.3 Соотношение транспирации и других процессов испарения воды

Рисунок 13.3а Результат транспирации на листе