А ЕСЛИ ПОМЕНЯТЬ МЕСТАМИ?

НИКОЛАЙ ЛУКИН, кандидат сельскохозяйственных наук, г. Душанбе

Кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Таджикской лесной опытной станции Н. Ф. Лукин в течение нескольких лет исследовал вопрос использования парообразной влаги в преобразовании земель. Его смелая, неожиданная идея граничит с фантастикой, но, на наш взгляд, вполне осуществима. И неспроста, по-видимому, президиум Академии наук Таджикской ССР признал работу ученого актуальной и перспективной. Публикуя статью исследователя, мы надеемся, что она найдет живой отклик у специалистов.

На октябрьском (1984 года) Пленуме ЦК КПСС был поставлен вопрос о широкомасштабном развертывании мелиорации земель, рассматривая ее как решающий фактор дальнейшего подъема сельского хозяйства, устойчивого наращивания продовольственного фонда страны. Из года в год растут площади орошаемых угодий. Во многих районах ирригация увязывается с энергетикой, что способствует не только повышению культуры земледелия, но и развитию промышленности. И все же проблема решена не полностью.

Сейчас в обороте находится 230 млн. га пашни. А вот земель орошаемых, дающих полноценные, гарантированные урожаи, только 18 млн. га. Добавим сюда еще около 17 млн. га осушенных площадей в зонах повышенного увлажнения. Вот и весь золотой фонд мелиорированных угодий, которые дают третью часть валовой продукции сельского хозяйства.

Примечателен такой факт. Каждый поливной гектар в районах, хорошо обеспеченных теплом, дает в 5— 6 раз больше продукции, чем неполивной. На гектаре осушенных земель, расположенных обычно в более холодных зонах, урожайность увеличивается всего в 1,5 раза по сравнению с неосушенными. Эти данные говорят о том, что при нормализации водного режима решающим фактором повышения продуктивности земледелия становится тепло. А ведь 60% пашни в нашей стране размещается в районах, где его хронически не хватает. С другой стороны, в краях с теплым климатом выпадает в год менее 400 мм осадков, и они периодически подвержены засухам.

Складывается парадоксальная ситуация. Там, где в изобилии вода, не хватает тепла. И наоборот — регионы, щедро обогреваемые солнечными лучами, страдают от недостатка воды.

Преобразователей земель ждут 250 млн. га песков и песчаных почв, 100 млн. га солончаков, а также десятки миллионов гектаров горных склонов и низкогорий. Все эти площади, если их обеспечить влагой, могут стать такими же щедрыми житницами, какими по воле людей стали Голодная (теперь правильнее ее называть Плодородная), Каршинская степи и другие, ранее пустынные края. Но мизерная доля (2%) речного стока, приходящегося на эти земли, которые составляют 25% общей территории СССР, не дает возможности оросить их за счет местных источников.

Есть ли выход из создавшегося положения? Можно ли найти принципиально новые способы увлажнения почвы и обеспечения водой культурных растений? Попробуем разобраться.

Пресная вода относится к возобновляемым природным ресурсам.

Причем в атмосфере ее содержится от 13 до 15 тыс. км³ (миллиарды тонн), в то-время как объем всех рек планеты не превышает 1200 км³. Львиная доля воды в атмосфере представлена в виде пара.

Теперь обратимся к практическому опыту. Исследуя вопросы, связанные с распределением почвенной влаги, современные ученые и специалисты продолжают опираться на общепринятую теорию инфильтрационного происхождения почвенных и грунтовых вод. Ее наиболее авторитетным приверженцем был известный ученый, профессор А. Роде. Согласно этой теории естественное пополнение почвенных вод происходит главным образом за счет выпадения осадков. Роль же парообразной влаги атмосферы ничтожно мала. Чаще всего ее вообще не принимают во внимание. Именно поэтому в основе всех осуществленных, реализуемых и обсуждаемых проектов преобразования земель заложено использование либо речного стока, артезианских, грунтовых и морских вод, либо атмосферных осадков.

В своем труде «Основы учения о почвенной влаге» А. Роде писал, что... «предметом учения о водных свойствах почвы и свойствах почвенной влаги являются процессы взаимодействия между твердой и жидкой составными частями почвы,

разыгрывающиеся в гравитационном силовом поле и при участии энергии Солнца. Учение о водных свойствах почвенной влаги рассматривает существо этих явлений в их зависимости от минералогического и гранулометрического состава почвы, от ее агрегатного состава и сложения, а также от свойств воды».

В приведенной цитате сформулировано содержание всей этой работы. Последующие упоминания о связи почвы с другими природными телами: атмосферой, грунтом и живыми организмами существенного отношения к проблеме не имеет. При внимательном анализе «Основ...» оказывается, что они опираются лишь на результаты исследований «взаимодействия между жидкой и твердой составными частями почвы, разыгрывающегося в гравитационном силовом поле», которые были получены в тиши лабораторий.

В работе, по существу, не прослеживается роль энергии Солнца с ее постоянными импульсами и ритмами (суточным, годовым и многолетними). Совершенно не упоминается в труде и такая мощная движущая сила, как постоянная собственная радиация почвы в инфракрасном диапазоне. Ведь известно, что всякое тело при температуре выше абсолютного нуля обладает этим свойством.

Вне внимания ученого остались и биологические преобразования, постоянно происходящие в верхних слоях земли. А ведь только процесс впитывания почвенной влаги растениями оказывает колоссальное влияние на ее перераспределение и динамику в почве. Вот характерный пример. С делянки капусты площадью в один гектар в течение вегетационного периода выделяется 8 млн. кг воды, ранее поглощенной растениями. Так что влияние это куда более мощное, чем гравитационные, капиллярные и сорбционные силы, вместе взятые. Кроме того, почвенную влагу не оставляют в покое и активно живущие микробы: в каждом грамме почвы их насчитываются миллионы.

В «Основах...» не отражен постоянный, весьма активный обмен молекулами водяного пара между водяными пленками, окружающими частицы почвы, и влагой атмосферы. Хотя хорошо известно, что именно интенсивный обмен (10²¹ молекул в секунду через 1 см² площади при комнатной температуре) обеспечивает 100-процентную относительную влажность почвенного воздуха и доступность водяного пара корням растений.

Вот тут и возникает вопрос: мог ли А. Роде при всем своем таланте и трудолюбии составить полное представление о почвенной влаге, рассматривая ее под воздействием лишь второстепенных движущих сил (гравитационных, капиллярных, сорбционных) и не учитывая действия главных и наиболее активных — инсоляцию, радиацию почвы, почвенный биос, влажность атмосферы и молекулярный обмен?

А главная ошибка концепции ученого, как мне кажется, заключается в том, что жидкая вода в почве, пар в (почвенном воздухе и в атмосфере рассматриваются им как отдельные, независимые друг от друга, самостоятельные образования. И неудивительно, что даже безупречные математические расчеты в этом случае подтверждают незначительную роль пара в пополнении почвы влагой.

Ло данным А. Роде, содержание водяного пара в 1 м³ почвы при 20°С равно примерно 10 г. При изменении температуры на 5°С в любую сторону количество его изменяется всего на 3 г. Содержание водяного пара в 1 м³ атмосферного воздуха составляет 15—20 г. Поскольку приземный слой воздуха никогда полностью не обезвоживается, то и здесь отдача влаги должна быть ничтожной. Поэтому для того, чтобы насытить почву влагой из атмосферы, нужно, чтобы через каждый квадратный метр поверхности за короткое время прошли тысячи кубометров воздуха. В естественных условиях (и это действительно так) подобного никогда не происходит. Следовательно, считает ученый, пар атмосферного воздуха не может быть источником пополнения почвы влагой.

Получается, что водяной пар лишен всех «прав» и свойств газа в обход закона Дальтона о парциальном давлении газов, находящихся во взаимодействии друг с другом. Такое упущение привело, как я считаю, к серьезному искажению роли парообразной влаги в природе, роли пара в водном балансе земной поверхности.

Для сравнения проведем небольшой анализ общеизвестных в современной науке, никем не оспариваемых фактов. В большинстве регионов Советского Союза ежегодно выпадает 300—500 г осадков на 1 м² почвы. Над поверхностью любой жидкости, в том числе, разумеется, и воды, всегда содержится ее пар, зачастую в количествах, насыщающих воздух. Между ними происходит постоянный, интенсивный обмен молекулами. Одни вылетают из жидкости, другие в нее возвращаются. Подсчитано, что при комнатной температуре через 1 см² поверхности воды в течение секунды проносится 10²¹ молекул. Внешне такой бурный лоток в силу своей двусторонности никак себя не проявляет. Но, если молекул вылетает больше, чем возвращается, происходит испарение. Если же процесс обратный, пар конденсируется. Постоянный обмен молекулами идет не только между поверхностью воды и воздухом, но также между поверхностью почвы и ее глубинными слоями и всеми микроорганизмами, живущими в ней и на ней.

Из упомянутых 10²¹ молекул половина вылетает в атмосферу, а половина возвращается на поверхность, то есть в воду или почву. Вооружившись числом Авогадро (6,023*10²³), нетрудно подсчитать, что интенсивность обмена паром между земной поверхностью и атмосферой составляет примерно 18 см³/см²/с. Значит, через каждый квадратный сантиметр поверхности ежесекундно проходит около 15 мг пара. На одном квадратном метре это составит 150 г/с, или 540 кг/ч. Таким образом, годовой объем атмосферных осадков не идет ни в какое сравнение с тем количеством влаги, которое получается в результате обмена парам. Из приведенных расчетов становится очевидно, что основу приходно-расходного баланса влаги земной поверхности составляют не осадки, а водяной пар.

Невидимый для глаз человека обмен парообразной влагой до сих лор оставался вне внимания практиков сельского хозяйства. И потому не возникал вопрос об управлении этим процессом.

Подобно любому газу, входящему в состав атмосферы, пар стремится занять возможно больший объем и образует глобальную паровую оболочку, обладающую массой и своим собственным парциальным давлением. Связанный с поверхностью воды или почвы постоянным обменом молекул, он представляет собою не отдельное самостоятельное образование, а неотъемлемую составную часть — газовую компоненту земной гидросферы.

Содержание водяного пара в воздухе управляется температурным режимом атмосферы и земной поверхности (и воды, и суши). Он подчиняется принципу подвижного равновесия в соответствии с динамикой температур, находится в постоянном движении и изменении как в пространстве, так и во времени. Парциальное давление атмосферного пара — упругость водяных паров (УВП), — достигая в тропиках 30— 40 мб, в полярных широтах падает до сотых долей мб. Такая закономерность объясняется постоянным перемещением пара из жарких областей к холодным. Об этом свидетельствует постепенное уменьшение солености Мирового океана от тропических широт, где преобладает испарение, к широтам полярным, где в основном происходит конденсация.

Влагообмен между теплыми долинами и холодными вершинами гор способствует образованию многочисленных пресных источников в высокогорье. Постоянство их водостока объясняется не только атмосферными осадками. Горные вершины по аналогии с полярными широтами являются своеобразными природными конденсаторами пара. А сток горных рек формируется не только за счет выпадения осадков и таяния ледников, но и за счет постоянной конденсации пара, поднимающегося из долин.

Температура атмосферы и земной поверхности изменяется также и во времени — от зимы к лету, от ночи к дню. Цикличность этой динамики обусловлена неравномерностью поступления тепловой энергии от Солнца. Почва и атмосфера воспринимают солнечное тепло по-разному. В результате этого и происходит постоянный тепло- и влагообмен между ними.

С восходом Солнца почва, поглощая основную долю энергии, нагревается сильнее и быстрее атмосферы, прозрачной для большей части его лучевого спектра. В системе почва — атмосфера наступает диспропорция в распределении энергии, которая устраняется путем отвода тепла из почвы в воздух. Часть его отводится усиливающимся при повышении температуры инфракрасным излучением, другая идет на испарение воды, поступая в атмосферу в виде скрытой теплоты парообразования. Интенсивный отвод тепла одновременно уменьшает дневное нагревание почвы. Ночью земная поверхность остывает быстрее атмосферы, и складывается обратная диспропорция. Теперь уже недостаток тепла испытывает почва. Поэтому часть энергии переходит в нее из атмосферы.

При повышении температуры в системе наступает дефицит УВП атмосферы. При этом ее всасывающая и водоудерживающая способность стремительно возрастает. У почвы, наоборот, водоудерживающая сила ослабевает, в такие периоды времени атмосфера жадно впитывает воду из почвы. При понижении температуры все происходит наоборот. Остывающая почва поглощает водяной пар, который атмосфера не в силах удержать.

Как показали последние исследования, во влагообмене с атмосферой участвует вся газопроницаемая толща почвогрунта, а не только его верхний 1—2-сантиметровый слой, как утверждали А. Роде и его последователь, профессор А. Лебедев. Процесс этот особенно интенсивен в летнее время. Средние суточные амплитуды колебаний УВП в атмосфере, фиксируемые в июле метеостанциями Таджикистана, составляют 7—8 мб. Колебания же влажности 2—3-метрового слоя почвы, установленные в результате наблюдений, могут достигать 40—50-миллиметрового водного слоя и более. Значит, ежесуточно из почвы в атмосферу уходит и возвращается обратно столько воды, сколько выпадает при очень хорошем дожде. Влага здесь выполняет роль своеобразного теплового буфера-гасителя больших температурных колебаний. Поэтому там, где есть большой обменный фонд влаги в гидросфере, наблюдаются более мягкие климатические условия, плавней сглажены суточные изменения температур.

Водяной пар — великолепный теплоноситель. Каждый его грамм при 25° С содержит в себе 501 калорию. Нужно днем уменьшить нагревание почвы — испаряется вода, и пар переходит в атмосферу. Нужно ночью согреть чрезмерно остывающую земную поверхность, и пар из атмосферы перемещается в почву, отдавая ей свое тепло.

Обменный фонд влаги в системе всегда находится в подвижном равновесии и чутко реагирует на возникновение любых энергетических диспропорций. О чем это говорит? О том, что влагообменом в системе почва — атмосфера можно управлять. Уже сейчас можно научиться изменять его путем воздействия на температуру любой из обменивающихся сторон. Другими словами, у ученых и специалистов есть реальные возможности освоения парообразной влаги атмосферы. Целенаправленное управление обменным фондом влаги открывает перспективы резкого повышения плодородия всех категорий земельных угодий без какого-либо нарушения экологического равновесия. Но для каждого типа почвы потребуется свой подход — разработка оригинальных технических и агротехнических решений.

Несмотря на то что многие ученые не принимают в расчет возможности парообразной влаги атмосферы, история рассудила по-иному. С древних времен крестьяне нашли способы обогащения почвы влагой из пара, содержащегося в атмосферном воздухе. Разумеется, физическая сущность процессов им была неясна, зато отдача всегда была весомой. Издавна люди стали покрывать почву слоем навоза, торфа или опилок, чтобы уменьшить испарение, повысить температуру плодородного слоя. Этот агротехнический прием, названный мульчированием, успешно применялся в разнообразных почвенно-климатических условиях.

Аналогичные опыты мы провели в окрестностях Душанбе. Суглинистые коричневые карбонатные почвы на площадках размером всего 2X2 м покрывали 10-сантиметровым слоем речной гальки. В результате мульчирования максимальная температура в плодородном слое снижалась в июле (самый жаркий период) на 20—25° С по сравнению с непокрытой почвой. В каждом метровом слое почвы дополнительно сохранялся 50—55-миллиметровый слой доступной корням растений влаги. Много это или мало?

Поскольку взаимоотношения между влагой почвы и атмосферы подчинены принципу подвижного равновесия, она постоянно перемещается и в этих природных средах. Корни растений берут воду не из «иссякаемых источников», а из непрерывного потока. Мульчированием мы не «сберегли» запасы влаги в трехметровом слое земли, а подняли уровень потока на 150 мм, значительно облегчив растениям жизнь, улучшив водное питание. Так что прибавка оказалась весьма существенной.

Даже такие простые опыты говорят о беспредельных возможностях использования парообразной влаги атмосферы в деле преобразования земель. Так что ученым и практикам лора поменять местами отношение к осадкам и парообразной влаге атмосферы.

Идея, высказанная мною, возможно, полемична и кому-то даже может показаться фантастичной. Но она зиждется на реальной основе, возможности парообразной влаги атмосферы сейчас, по-видимому, трудно обрисовать самому смелому фантасту. Но жизнь бывает проворнее самых неожиданных прогнозов.