رابطه آب، خاک و گیاه

رشد گیاهان به دو منبع طبیعی مهم بستگی دارد: خاک و آب.

خاک، حمایت مکانیکی و مخزن مواد مغذی لازم برای رشد گیاه را فراهم می‌کند. آب برای فرآیندهای حیات گیاه ضروری است. مدیریت مؤثر این منابع برای تولید محصولات زراعی، نیازمند درک روابط بین خاک، آب و گیاهان از سوی تولیدکننده است.

خاک مانند مخزنی عمل می‌کند که آب و مواد مغذی مورد نیاز گیاهان برای رشد را در خود نگه می‌دارد. برخی از خاک‌ها مخازن بزرگی با ظرفیت نگهداری بیشتر دارند که آب و مواد مغذی را به‌راحتی در دسترس گیاهان قرار می‌دهند؛ در حالی که خاک‌های دیگر، دارای مخازن محدودی هستند.

محتوای آب خاک، مقدار آب ذخیره شده در خاک در یک زمان معین است. متداول‌ترین حدود رطوبتی خاک عبارتند از: رطوبت اشباع، ظرفیت مزرعه (زراعی)، نقطه پژمردگی دایم و خشک‌شده در آون (شکل 1).

شکل 1- حدود رطوبتی مهم خاک

در حالت اشباع، که معمولاً بلافاصله پس از یک بارندگی شدید یا آبیاری رخ می‌دهد، تمام فضاهای منافذ خاک با آب پر می‌شود. هنگامی که خاک در حد اشباع یا نزدیک به اشباع است، مقداری از آب به‌دلیل نیروی گرانش زمین، تخلیه یا نفوذ می‌کند. این آب اضافی به‌عنوان “آب گرانشی” یا “آب ثقلی” يا “آب آزاد” شناخته می‌شود. از آنجا که نفوذ آب زمانبر است، مقداری از این آب اضافی می‌تواند توسط گیاهان استفاده شود یا در اثر تبخیر از بین برود.

ظرفیت مزرعه به‌عنوان مقدار آبی که پس از نفوذ سریع در خاک باقی می‌ماند تعریف می‌شود. در واقع، حدی از رطوبت خاک است که پس از خروج آب ثقلی در خاک باقی می‌ماند. هرچند رسیدن به این حد رطوبتی در خاک‌های با بافت مختلف، در زمان‌های متفاوت رخ می‌دهد؛ لیکن معمولاً به‌صورت مقدار رطوبتی از خاک تعریف می‌شود که با مکش يک­سوم بار (اتمسفر) نگهداری می‌شود.

نقطه پژمردگی به‌عنوان محتوای آب خاک تعریف می‌شود که در آن پتانسیل یا توانایی ریشه گیاه برای جذب آب توسط پتانسیل آبی خاک متعادل می‌شود. اگر آب خاک به نقطه پژمردگی برسد، اغلب گیاهان زراعی علائم قابل توجهی از تنش، مانند پژمردگی تا حد مرگ را نشان می‌دهند. معمولاً به‌صورت مقدار رطوبتی از خاک تعریف می‌شود که با مکش 15 بار (اتمسفر) نگهداری می‌شود.

خاک آون‌خشک به‌عنوان نقطه مرجع برای تعیین میزان آب خاک استفاده می‌شود. وقتی خاک در آون خشک شود، تمام آب خاک از آن خارج می‌گردد. مکش آب خاک در نمونه خاک خشک‌شده در آون تقریباً 10000 بار است.

در هر حال، مقدار آب خاک، بسته به نوع خاک، متفاوت است. شکل 2 مقادیر آب خاک را برای سه خاک مختلف با بافت‌های شنی، لومی و لوم رسی سیلتی مقایسه نموده است.

شکل 2- مقایسه مقدار آب خاک در بافت‌های مختلف

چگونه خاک آب را نگه می دارد

خاک به دو صورت آب را نگه می‌دارد: (1) به‌عنوان یک لایه نازک روی ذرات خاک و (2) به‌عنوان آب ذخیره‌شده در منافذ خاک.

آب ذخیره‌شده به‌عنوان یک لایه نازک روی ذرات خاک توسط نیروهای جذب در جای خود نگه داشته می‌شود؛ حال آنکه مولکول‌های ذرات آب ذخیره‌شده در منافذ خاک توسط نیروی مویینگی حفظ می‌شوند (شکل 3).

شکل 3- نحوه نگهداری آب توسط خاک

آبی که در منافذ توسط نیروی مویینگی نگهداری می‎شود با مکش خاصی در خاک نگهداری می‌گردد. همین امر در مورد آب نگهداری‌شده با پدیده جذب (لایه نازک روی ذرات خاک) نیز صادق است. با خشک شدن خاک، مقدار این مکش‌ها بیشتر می‌شوند. در هر حال،برای گیاه آسان‌تر است که آب را با مکش‌های پایین‌تر استخراج کند.

در حالت اشباع، مکش آب خاک تقریباً 001/0 بار (اتمسفر) است. بنابراین، استخراج آب از یک خاک اشباع برای گیاه آسان خواهد بود. اما در رطوبت اشباع، تنفس گیاه تا حدود زیادی با مشکل روبه‌رو می‌شود. از سوی دیگر، حد رطوبتی اشباع، فقط مدت کوتاهی طول می‌کشد. بنابراین گیاهان تنها بخش کوچکی از آب را در رطوبت‌های بالاتر از ظرفیت مزرعه استخراج می‌کنند. همان‌گونه که پیش از این نیز اشاره شد؛ ظرفیت زراعی در حدود یک‌سوم فشار اتمسفر یا تقریباً 3/0 بار تعریف شده است. با این حال، استخراج آب از خاک برای گیاه هنوز آسان است. نقطه پژمردگی زمانی رخ می‌دهد که پتانسیل ریشه گیاه با پتانسیل آب خاک متعادل شود. بنابراین گیاهان قادر به جذب نیستند. با نزدیک شدن آب خاک به نقطه پژمردگی (تقریباً 15 بار)، گیاهان علائم افزایش تنش آبی مانند پژمردگی و پیری برگ را نشان می‌دهند.

منحنی مشخصه رطوبتی خاک، منحنی است که رابطه مکش و میزان رطوبت خاک را نشان می‌دهد. این منحنی، بسته به نوع بافت و ساختمان خاک، می‌تواند متفاوت باشد (شکل 4). همچنین، میزان رطوبت بین ظرفیت مزرعه و نقطه پژمردگی دائم، “آب قابل استفاده گیاه” نامیده می‌شود. بهترین رشد و عملکرد گیاه برای اکثر محصولات زراعی زمانی اتفاق می‌افتد که محتوای آب خاک در نیمه بالایی محدوده آب قابل استفاده گیاه باقی بماند که گاهی اوقات به این رطوبت، “آب سهل‌الوصول” می‌گویند. نقطه تقسیم بین آب قابل استفاده گیاه و آب سهل‌الوصول، حداکثر تخلیه مجاز (MAD) نامیده می‌شود. برای اکثر محصولات زراعی، سطح MAD معمولاً حدود 50 درصد آب قابل استفاده گیاه تعریف می‌شود. در برخی از محصولات حساس به آب، مانند سبزیجات و گل‌ها، سطح MAD ممکن است کمتر باشد (حدود 30 درصد آب قابل استفاده گیاه). با توجه به مقاومت بالای درخت پسته به شرایط خشکی، مقدار MAD حدود 75 درصد آب قابل استفاده گیاه است. به‌عنوان مثال، رابطه بین مقدار محتوای آب خاک، درصد آب قابل استفاده گیاه و مکش خاک برای يک خاک لوم رسی سیلتی در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 4- منحنی مشخصه رطوبتی خاک برای خاک‌های مختلف

شکل 5- رابطه بین مقدار محتوای آب خاک، درصد آب قابل استفاده گیاه و مکش خاک برای يک خاک لوم رسی سیلتی

پتانسیل آب خاک

سهولت استخراج آب از خاک به مکش آب خاک بستگی دارد که به‌عنوان “پتانسیل آب خاک” نیز شناخته می‌شود.

پتانسیل آب خاک، معیاری برای سنجش وضعیت انرژی آب خاک است. آب از ناحیه‌ای با پتانسیل بیشتر به ناحیه‌ای با پتانسیل کمتر جریان می‌یابد. واحدهای اندازه‌گیری پتانسیل آب خاک معمولاً بار یا اتمسفر هستند. پتانسیل‌های آب خاک، فشارهای منفی هستند که به‌صورت کشش یا مکش نیز بیان می‌شوند. در این حالت، آب از پتانسیل بیشتر (کمتر منفی) به پتانسیل کمتر (منفی‌تر) جریان می‌یابد. گیاهان مکش یا پتانسیل را ایجاد می‌کنند تا آب را از خاک به ریشه منتقل کنند و با تنظیم پتانسیل آب یا مکش در سلول‌های گیاهی خود، آن را توزیع کنند. پتانسیل آب از اجزای متعددی تشکیل شده است، اما یکی از مهم‌ترین آن‌ها پتانسیل اسمزی یا املاح است. پتانسیل اسمزی به‌دلیل وجود املاح محلول مانند قندها و اسیدهای آمینه در سلول گیاهی است. برای اینکه آب از خاک به ریشه، ساقه، برگ و در نهایت به هوا حرکت کند، پتانسیل آب باید همیشه در حال کاهش باشد. این موضوع در شکل 6 نشان داده شده است. ملاحظه می‌شود که حرکت آب از خاک با پتانسیل بیشتر (کمتر منفی) به هوای با پتانسیل آب پایین‌تر (منفی‌تر) اتفاق می‌افتد. با این حال، گیاهان در میزان تنظیمی که در این ارتباط می‌توانند انجام دهند، محدود هستند.

شکل 6- شماتیک کاهش پتانسیل آب برای انتقال آب از خاک به جو از طریق یک گیاه.

نحوه استفاده از آب توسط گیاهان

سیستم ریشه گیاه باید یک مکش (فشار) منفی برای استخراج آب از زمین ایجاد کند. این مکش باید معادل کششی باشد که آب را در خاک نگه می‌دارد. به‌عنوان مثال، اگر مکش آب در خاک 3/0 بار (حدود ظرفیت مزرعه) باشد، گیاه باید حداقل 3/0 بار کشش منفی برای بیرون کشیدن آب از زمین ایجاد کند. در نقطه پژمردگی، حداکثر کشش منفی که یک گیاه می‌تواند ایجاد کند با کشش آب خاک متعادل می‌شود. در این مرحله، گیاه دیگر نمی‌تواند آب را از خاک استخراج کند و تا حد مرگ تحت تنش شدید قرار می‌گیرد. عوامل متعددی وجود دارد که تعیین می‌کند یک گیاه چه زمانی و در کجا آب مصرف کند و یک گیاه چقدر آب مصرف کند. این عوامل شامل نیاز روزانه گیاه به آب تحت تأثیر شرایط اقلیمی و مرحله رشد، عمق ریشه گیاه و کیفیت خاک و آب است.

یک گیاه در مراحل مختلف رشد، نیاز آبی متفاوتی دارد. در مواقعی که گیاه جوان است، نسبت به زمانی که در مرحله زایشی است به آب کمتری نیاز دارد. با نزدیک شدن به بلوغ گیاه، نیاز آبی آن کاهش می‌یابد. منحنی‌هایی ایجاد شده‌اند که نیاز روزانه به آب را برای انواع محصولات نشان می‌دهند. شکل 7 یک منحنی تیپیک نیاز آبی گیاه را نشان می‌دهد.

شکل 7- منحنی مصرف آب توسط گیاه بر اساس مرحله رشد

عمق ریشه گیاه

عمق ریشه گیاه، تعیین‌کننده عمقی است که می‌توان آب خاک را استخراج کرد. گیاه جوانی که فقط ریشه‌های کم‌عمقی دارد به آب خاک عمیق‌تر از عمق ریشه‌زایی خود دسترسی نخواهد داشت. گیاهان معمولاً حدود 40 درصد آب مورد نیاز خود را از یک‌چهارم بالای منطقه ریشه خود استخراج می‌کنند. سپس 30 درصد از چارک بعدی، 20 درصد از چارک سوم، و تنها 10 درصد از عمیق‌ترین چارک استخراج می‌کنند. بنابراین، گیاهان حدود 70 درصد از آب خود را از نیمه بالایی کل ریشه خود استخراج خواهند کرد (شکل 8).

شکل 8- میزان جذب آب توسط چارک‌های مختلف منطقه توسعه ریشه گیاه

کیفیت خاک و آب

یکی دیگر از عوامل مؤثر بر میزان آب موجود در خاک، کیفیت خاک و آب است. برای رشد خوب گیاه، خاک باید فضای کافی برای حرکت آب و هوا و رشد ریشه داشته باشد. ساختمان خاک می‌تواند در اثر انجام روش‌های مدیریتی خاص، دچار تغییر و تحول شود. به‌عنوان مثال، خاک‌ورزی بیش از حد می‌تواند خاک انباشته را از هم جدا کند و ترافیک بیش از حد می‌تواند باعث تراکم خاک شود. هر دوی این روش‌ها باعث کاهش فضای منافذ در خاک، کاهش در دسترس بودن آب و هوا و کاهش فضای رشد ریشه می‌شوند.

کیفیت آب نیز برای رشد گیاه مهم است. آب آبیاری با محتوای نمک محلول زیاد، نمی‌تواند در دسترس گیاه قرار گیرد. بنابراین برای اینکه آب در دسترس گیاه باشد باید مقدار آب بیشتری در خاک حفظ شود. افزایش نمک آب، پتانسیل انتقال آب از خاک به داخل ریشه را کاهش می‌دهد. همچنین مقداری آب اضافی برای شسته شدن نمک در زیر ناحیه ریشه گیاه مورد نیاز است تا از تجمع نمک در خاک جلوگیری شود. علاوه بر این، آب بی‌کیفیت می‌تواند بر ساختمان خاک تأثیر بگذارد و جذب آب توسط ریشه گیاه را با مشکل روبه‌رو کند.