पौधे और कोई भी जीवित जीव (living organisms) पानी के बिना नहीं रह सकते हैं, क्योंकि पानी अधिकांश पौधों की कोशिकाओं (plant cell) का लगभग 80 से 90% सबसे महत्वपूर्ण घटक (constituent) है। फसल और फसल उत्पादन में पानी की भूमिका को इस प्रकार समूहीकृत (grouped) किया जा सकता है:
ए) शारीरिक महत्व (Physiological importance)सिंचाई के उद्देश्य (irrigation), औद्योगिक उद्देश्यों (industrial purposes), बिजली उत्पादन (power generation), पशुधन उपयोग (livestock use), शहरी और ग्रामीण विकास (urban and rural development) के लिए घरेलू उपयोग (domestic use) के लिए अच्छी गुणवत्ता वाले पानी (good quality water) के बहुविध उपयोग (multifarious uses), पानी की मांग (demand) बढ़ा रहे हैं। सिंचाई परियोजनाओं (irrigation projects) की बढ़ती लागत और अच्छी गुणवत्ता वाले पानी की सीमित आपूर्ति (limited supply) के कारण, यह अत्यधिक मूल्यवान वस्तु (high valuable commodity) बन जाती है और इसलिए इसे तरल सोना (Liquid Gold) कहा जाता है। इसके अलावा, ऐतिहासिक साक्ष्य (historical evidences) बताते हैं कि उचित प्रबंधन के कारण जल आधार पर स्थापित (established on water base) सभी सभ्यता (civilization) उसी जल आधार के अनुचित प्रबंधन (improper management) के कारण गायब हो जाती है। सभी बेहतर किस्मों (superior varieties), जैविक खाद (organic manure), अकार्बनिक उर्वरक (inorganic fertilizer), कुशल श्रम बचत उपकरण (efficient labour saving implements), बेहतर कीट और रोग प्रबंधन तकनीकों (better pest and disease management techniques) को तभी लागू किया जा सकता है जब फसल को पर्याप्त पानी (sufficient water) दिया जाए। पानी के विविध मूल्य (diversified value) को इस प्रकार उद्धृत (quoted) किया जा सकता है:
जैसा कि सर सी.वी. रमन (Sir.C.V.Raman) द्वारा इंगित किया गया है, पानी जीवन का अमृत (ELIXER of Life) है जो पृथ्वी पर चमत्कार (wonders in earth) करता है यदि इसका उपयोग उचित, कुशलतापूर्वक, आर्थिक रूप से, पर्यावरण की दृष्टि से, इष्टतम, समान रूप से और न्यायिक रूप से (Properly, Efficiently, Economically, Environmentally, Optimally, Equitably and Judicially) किया जाता है।
ठोस - तरल- गैसीय रूप (Solid – liquid- gaseous form - किसी भी मानक पुस्तक का संदर्भ लें)।
ठोस के रूप में पानी की स्थिति - बर्फ, उसका तापमान - बर्फ, हिमखंडों और बर्फ के पहाड़ों (icebergs and Ice Mountains) के रूप में उपस्थिति, बर्फ के ग्लेशियर (ice glaciers) और पानी की उपलब्धता (water availability) पर उनकी भूमिका।
पानी के रूप में - महासागर (ocean) - महासागर की सीमा - पानी की उपलब्धता पर उनकी भूमिका।
गैसीय रूप (Gaseous form) - बादल और उनका निर्माण (clouds and their formation) - वर्षा (precipitation) - वर्षा के रूप आदि।
मिट्टी एक तीन-चरण प्रणाली (three-phase system) है जिसमें खनिज और कार्बनिक पदार्थों (mineral and organic matter) और विभिन्न रासायनिक यौगिकों (chemical compounds) से बना ठोस चरण (solid phase), मिट्टी की नमी (soil moisture) नामक तरल चरण (liquid phase) और मिट्टी की हवा (soil air) नामक गैसीय चरण (gaseous phase) शामिल हैं। ठोस चरण का मुख्य घटक मिट्टी के कण (soil particles) हैं, जिनका आकार (size) और आकार (shape) विभिन्न ज्यामिति के छिद्र स्थानों (pore spaces) को जन्म देते हैं। मौजूद नमी की मात्रा (amount of moisture) के आधार पर, ये छिद्र स्थान अलग-अलग अनुपात (varying proportions) में पानी और हवा से भरे होते हैं। ठोस कणों (solid particles), तरल (मिट्टी का घोल - soil solution) और गैस (मिट्टी की हवा - soil air) की उपस्थिति एक जटिल बहुस्तरीय प्रणाली (complex polyphasic system) का गठन करती है। मिट्टी प्रणाली (soil system) में तीन मुख्य घटकों की मात्रा संरचना (volume composition) व्यापक रूप से भिन्न होती है। एक विशिष्ट गाद दोमट मिट्टी (silt loam soil), उदाहरण के लिए, लगभग 50 प्रतिशत ठोस (solids), 30 प्रतिशत पानी (water) और 20 प्रतिशत हवा (air) होती है। तीन बुनियादी घटकों (basic components) के अलावा, मिट्टी में आमतौर पर बैक्टीरिया, कवक, शैवाल, प्रोटोजोआ, कीड़े और छोटे जानवर (bacteria, fungi, algae, protozoa, insects and small animals) जैसे कई जीवित जीव होते हैं जो प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से (directly or indirectly) मिट्टी की संरचना (soil structure) और पौधों के विकास (plant growth) को प्रभावित करते हैं। सिंचाई को प्रभावित करने वाली सबसे महत्वपूर्ण मिट्टी की विशेषताएं इसकी घुसपैठ की विशेषताएं (infiltration characteristics) और जल धारण क्षमता (water holding capacity) हैं। सिंचाई जल (irrigation water) के प्रबंधन में मिट्टी की बनावट (soil texture), मिट्टी की संरचना (soil structure), केशिका चालकता (capillary conductivity), मिट्टी प्रोफ़ाइल की स्थिति (soil profile conditions) और जल तालिका की गहराई (depth of water table) जैसे अन्य मिट्टी के गुणों पर भी विचार किया जाता है।
मिट्टी के खनिज और कार्बनिक यौगिक (mineral and organic compounds) एक ठोस (यद्यपि कठोर नहीं) मैट्रिक्स (solid matrix) से होते हैं, जिसके अंतराल में अनियमित आकार के छिद्र (irregularly shaped pores) होते हैं, जिनकी ज्यामिति (geometry) मैट्रिक्स की सीमाओं (boundaries) द्वारा परिभाषित होती है। छिद्र स्थान, सामान्य रूप से, आंशिक रूप से मिट्टी की हवा और तरल वाष्प (liquid vapour) से और आंशिक रूप से मिट्टी के पानी (soil water) के तरल चरण (liquid phase) से भरा होता है। मिट्टी की नमी (Soil moisture) मिट्टी के सबसे महत्वपूर्ण अवयवों (ingredients) में से एक है। यह इसके सबसे गतिशील गुणों (dynamic properties) में से एक है। पानी मिट्टी की कई भौतिक और रासायनिक प्रतिक्रियाओं (physical and chemical reactions) के साथ-साथ पौधों के विकास (plant growth) को गहराई से प्रभावित करता है।
पानी के गुणों को उसके अणु (molecule) की संरचना द्वारा समझाया जा सकता है। हाइड्रोजन (hydrogen) के दो परमाणु और ऑक्सीजन (oxygen) का एक परमाणु मिलकर एक तिल (mole) बनाते हैं जो काफी हद तक ऑक्सीजन आयन (oxygen ion) द्वारा निर्धारित होता है। दो हाइड्रोजन आयन (hydrogen ions) व्यावहारिक रूप से कोई जगह नहीं लेते हैं। पानी के अणु अलग-अलग मौजूद नहीं हैं। पानी में हाइड्रोजन एक अणु से दूसरे अणु को जोड़ने वाले लिंक (connecting link) के रूप में कार्य करता है।
मिट्टी पानी के लिए भंडारण जलाशय (storage reservoir) के रूप में कार्य करती है। फसल के रूट ज़ोन (root zone) में जमा पानी का उपयोग ही उसके वाष्पोत्सर्जन (transpiration) और पौधों के ऊतकों (plant tissues) के निर्माण के लिए किया जा सकता है। जब जड़ क्षेत्र में पर्याप्त पानी (ample water) होता है, तो पौधे उचित वृद्धि और विकास (proper growth and development) के लिए अपनी दैनिक पानी की आवश्यकताओं (daily water requirements) को प्राप्त कर सकते हैं। जैसे-जैसे पौधे पानी का उपयोग करना जारी रखते हैं, उपलब्ध आपूर्ति (available supply) कम होती जाती है, और जब तक और पानी नहीं डाला जाता, पौधे बढ़ना बंद कर देते हैं और अंततः मर जाते हैं। इस अवस्था में पहुंचने से पहले जब फसल की वृद्धि पर प्रतिकूल प्रभाव (adversely affected) पड़ता है, तो फिर से सिंचाई (irrigate again) करना आवश्यक है। प्रत्येक सिंचाई में लगाए जाने वाले पानी की मात्रा, और सिंचाई की आवृत्ति (frequency) मिट्टी के गुणों (properties) और सिंचित की जाने वाली फसल (crop) पर निर्भर करती है।
मिट्टी के पानी के प्रकार (Kinds of soil water):जब सूखी मिट्टी में बारिश या सिंचाई (rain or irrigation) द्वारा पानी डाला जाता है, तो यह मिट्टी के कणों के चारों ओर वितरित (distributed) हो जाता है जहां यह चिपकने वाले और एकजुट बलों (adhesive and cohesive forces) द्वारा धारण किया जाता है; यह छिद्र स्थानों (pore spaces) में हवा को विस्थापित करता है और अंततः छिद्रों को भरता है। जब सभी छिद्र, बड़े और छोटे, भर जाते हैं, तो मिट्टी को संतृप्त (saturated) कहा जाता है और यह अपनी अधिकतम धारण क्षमता (maximum retentive capacity) पर होती है। मिट्टी के पानी के तीन मुख्य वर्ग (main classes) निम्नलिखित हैं:
आसंजन (Adhesion) पानी के अणुओं (water molecules) के लिए ठोस सतहों (solid surfaces) का आकर्षण (attraction) है। आसंजन केवल ठोस-तरल इंटरफ़ेस (solid-liquid interface) पर ही काम करता है और इसलिए इसके द्वारा स्थापित पानी की फिल्म बहुत पतली (very thin) होती है। सामंजस्य (Cohesion) एक दूसरे के लिए पानी के अणुओं (water molecules) का आकर्षण है। यह बल जलयोजन (hydration) द्वारा स्थापित पानी की फिल्मों की एक चिह्नित मोटाई (marked thickness) को तब तक संभव बनाता है जब तक कि वे सूक्ष्म आकार (microscopic size) प्राप्त नहीं कर लेते। जैसे-जैसे फिल्म मोटी और मोटी होती जाती है, गुरुत्वाकर्षण (gravity) के बल कार्य करते हैं और पानी बड़े छिद्रों (large pores) से नीचे की ओर (downward) बहता है। इस तरह के पानी को शिथिल (loosely) रूप से रखा जाता है। इस प्रकार, जब मिट्टी संतृप्ति (saturation) के करीब होती है, तो पानी की वृद्धि (increment) को निकालना आसान होता है, लेकिन जैसे-जैसे मिट्टी में नमी (moisture) कम और कम होती जाती है, नमी की इकाई मात्रा (unit amount) को निकालने के लिए आवश्यक बल (force required) उतना ही अधिक होगा।
जब एक सूखी मिट्टी के नमूने (dry soil samples) को जल वाष्प (water vapour) के संपर्क में लाया जाता है, तो यह नमी (moisture) ग्रहण करेगा। सोखने (adsorbed) की मात्रा उजागर की गई सतह (surface exposed) की प्रकृति और परिमाण, तापमान (temperature) और आर्द्रता की डिग्री (degree of humidity) पर निर्भर करती है। इस प्रकार अवशोषित नमी (moisture) जलयोजन का पानी (water of hydration), आसंजन का पानी (water of adhesion), या आमतौर पर हाइग्रोस्कोपिक पानी (hygroscopic water) है। जब वायु संतृप्ति (air saturation) 100 प्रतिशत होती है तो ऐसी नमी (moisture) की अधिकतम मात्रा प्राप्त की जाएगी।
केशिका जल (capillary water) को लगभग 31 वायुमंडल (atmospheres) और एक तिहाई वायुमंडल (one-third atmosphere) के तनाव (tensions) के बीच रखा जाता है। 31 और 15 वायुमंडल के बीच, केशिका समायोजन (capillary adjustment) बहुत सुस्त (sluggish) है। अपेक्षाकृत आसान आंदोलन (Comparatively easy movement) तब तक नहीं होता है जब तक कि पानी की फिल्म (water film) मोटी न हो जाए और एक-तिहाई वायुमंडल के निकट दबाव (pressures) न पहुंच जाए। इसके ऊर्जा संबंधों (energy relations) के परिणामस्वरूप, केशिका पानी (capillary water) विलेय (solutes) को धारण करने वाला एकमात्र तरल पानी (fluid water) है, जो किसी भी समय (length of time) मिट्टी में रहता है, यदि जल निकासी (drainage) संतोषजनक है। इस प्रकार, यह भौतिक (physically) और रासायनिक रूप से (chemically) मिट्टी के घोल (soil solution) के रूप में कार्य करता है। मिट्टी में केशिका पानी (capillary water) की मात्रा को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक संरचना (structure), बनावट (texture) और कार्बनिक पदार्थ (organic matter) हैं। खनिज मिट्टी के कणों (mineral soil particles) की बनावट जितनी महीन (finger) होगी, उसकी केशिका क्षमता (capillary capacity) उतनी ही अधिक होने की संभावना है। दानेदार मिट्टी की संरचना (Granular soil structure) उच्च केशिका क्षमता पैदा करती है। कार्बनिक पदार्थों (organic matter) की उपस्थिति केशिका क्षमता (capillary capacity) को बढ़ाती है.
एक-तिहाई वायुमंडल (one-third atmosphere) या उससे कम के तनाव (tensions) पर मिट्टी में मौजूद पानी गुरुत्वाकर्षण (gravity) पर प्रतिक्रिया करेगा और नीचे की ओर (downward) बढ़ेगा, इसलिए इसका नाम गुरुत्वाकर्षण जल (gravitational water) है। इस प्रकार प्रभावित पानी वह है जो गैर-केशिका (non-capillary - बड़े) छिद्रों में मौजूद होता है। पानी के तीन रूपों में से, केवल केशिका (capillary) और गुरुत्वाकर्षण पानी (gravitational water) सिंचाई करने वालों (irrigationists) के लिए रुचि रखते हैं क्योंकि हाइग्रोस्कोपिक पानी (hygroscopic water) पौधों के लिए उपलब्ध नहीं है।
सतह से मिट्टी में पानी की आवाजाही (movement of water) को घुसपैठ (infiltration) कहा जाता है। मिट्टी की घुसपैठ की विशेषताएं (infiltration characteristics) सिंचाई को प्रभावित करने वाले प्रमुख चर (dominant variables) में से एक हैं। घुसपैठ दर (Infiltration rate) मिट्टी की विशेषता है जो अधिकतम दर (maximum rate) निर्धारित करती है जिस पर पानी विशिष्ट परिस्थितियों (specific conditions) में मिट्टी में प्रवेश कर सकता है, जिसमें अतिरिक्त पानी (excess water) की उपस्थिति भी शामिल है। इसमें वेग के आयाम (dimensions of velocity) हैं। किसी दिए गए समय में जिस वास्तविक दर (actual rate) पर पानी मिट्टी में प्रवेश कर रहा है, उसे घुसपैठ वेग (Infiltration velocity) कहा जाता है।
सिंचाई के दौरान घुसपैठ की दर (infiltration rate) कम हो जाती है। कमी की दर (rate of decrease) शुरू में तेज होती है और घुसपैठ की दर एक स्थिर मूल्य (constant value) तक पहुंचने की प्रवृत्ति रखती है। सिंचाई शुरू होने से कुछ समय बीत जाने के बाद जो लगभग स्थिर दर (nearly constant rate) विकसित होती है, उसे बुनियादी घुसपैठ दर (basic infiltration rate) कहा जाता है।
घुसपैठ दर को प्रभावित करने वाले कारक (Factors Affecting Infiltration Rate)मिट्टी में पानी की घुसपैठ (infiltration of water) को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक प्रारंभिक नमी सामग्री (initial moisture content), मिट्टी की सतह की स्थिति (condition of the soil surface), मिट्टी प्रोफ़ाइल की हाइड्रोलिक चालकता (hydraulic conductivity of the soil profile), बनावट (texture), सरंध्रता (porosity), और मिट्टी के कोलाइड्स की सूजन की डिग्री (degree of swelling of soil colloids) और कार्बनिक पदार्थ (organic matter), वनस्पति कवर (vegetative cover), सिंचाई या वर्षा की अवधि (duration of irrigation or rainfall) और पानी की चिपचिपाहट (viscosity of water) हैं। पूर्ववर्ती मिट्टी की नमी की मात्रा (antecedent soil moisture content) का घुसपैठ की प्रारंभिक दर (initial rate) और कुल मात्रा (total amount) पर काफी प्रभाव पड़ता है, मिट्टी की नमी बढ़ने पर दोनों कम हो जाते हैं। किसी भी मिट्टी की घुसपैठ दर (infiltration rate) मिट्टी के प्रोफाइल (soil profile) में और उसके माध्यम से पानी के प्रवाह (flow of water) के किसी भी अवरोध (restraint) द्वारा सीमित होती है। सतह पर या उसके नीचे सबसे कम पारगम्यता (lowest permeability) वाली मिट्टी की परत (soil layer), आमतौर पर घुसपैठ दर (infiltration rate) निर्धारित करती है। घुसपैठ की दर (Infiltration rates) मिट्टी की सरंध्रता (porosity) से भी प्रभावित होती है जो खेती (cultivation) या संघनन (compaction) से बदल जाती है। खेती सतह की मिट्टी की सरंध्रता (porosity of the surface soil) बढ़ाकर और सतह की सील (surface seals) को तोड़कर घुसपैठ दर (infiltration rate) को प्रभावित करती है। घुसपैठ पर जुताई (tillage) का प्रभाव आमतौर पर केवल तब तक रहता है जब तक कि बाद की सिंचाई (subsequent irrigations) के कारण मिट्टी अपने पुराने बल्क घनत्व (bulk density) की स्थिति में वापस नहीं आ जाती।
घुसपैठ की दर (Infiltration rates) आम तौर पर हल्की बनावट (light texture) वाली मिट्टी की तुलना में भारी बनावट (heavy texture) वाली मिट्टी में कम होती है। कई शोधकर्ताओं (workers) द्वारा घुसपैठ की दर पर मिट्टी के ऊपर पानी की गहराई (depth) के प्रभाव की जांच की गई। यह स्थापित हो गया है कि सतही सिंचाई (surface irrigation) में, बढ़ी हुई गहराई (increased depth) प्रारंभिक घुसपैठ (initial infiltration) को थोड़ा बढ़ा देती है, लेकिन लंबे समय तक सिंचाई (prolonged irrigation) के बाद हेड (head) का नगण्य प्रभाव (negligible effect) पड़ता है। वनस्पति आवरण (vegetal cover) से भी घुसपैठ की दरें (Infiltration rates) प्रभावित होती हैं। बंजर खेती रहित भूमि (bare uncultivated land) की तुलना में घास के मैदान (grassland) पर घुसपैठ की दर (Infiltration rates) काफी अधिक है। कार्बनिक पदार्थ (organic matter) के जुड़ने से घुसपैठ की दर (infiltration rate) काफी बढ़ जाती है। मिट्टी प्रोफाइल (soil profile) की हाइड्रोलिक चालकता (hydraulic conductivity) अक्सर घुसपैठ (infiltration) के दौरान बदल जाती है, न केवल बढ़ती नमी सामग्री (increasing moisture content) के कारण, बल्कि सतह के कणों (surface particles) के पुनर्विन्यास (reorientation) और महीन (finger) सामग्री के मिट्टी में धुलने के कारण सतह के पडलिंग (puddling) के कारण भी। पानी की चिपचिपाहट (Viscosity of water) घुसपैठ को प्रभावित करती है। अन्यथा तुलनीय मिट्टी की स्थिति (comparable soil conditions) के तहत उष्णकटिबंधीय (tropics) में घुसपैठ की उच्च दर (high rates) गर्म पानी की कम चिपचिपाहट (low viscosity) के कारण है।
मिट्टी के नमूने (sample of soil) की नमी सामग्री (moisture content) को आमतौर पर 105°C पर सुखाने पर नष्ट हुए पानी की मात्रा (amount of water lost) के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिसे या蜻तो सूखी मिट्टी के प्रति इकाई वजन (unit weight of dry soil) पानी के वजन (weight of water) या थोक मिट्टी (bulk soil) के प्रति इकाई मात्रा (unit volume) पानी की मात्रा (volume of water) के रूप में व्यक्त किया जाता है। हालांकि उपयोगी, ऐसी जानकारी (information) पौधों के विकास (plant growth) के लिए पानी की उपलब्धता (availability of water) का स्पष्ट संकेत (clear indication) नहीं है। अंतर (difference) मौजूद है क्योंकि पानी बनाए रखने की विशेषताएं (water retention characteristics) अलग-अलग मिट्टी के लिए अलग हो सकती हैं।
जो ताकतें मिट्टी और पानी (soil and water) को एक साथ रखती हैं, वे अलग-अलग अणुओं (individual molecules) के बीच आकर्षण (attraction) पर आधारित होती हैं, दोनों पानी और मिट्टी के अणुओं (आसंजन - adhesion) के बीच और पानी के अणुओं के बीच (सामंजस्य - cohesion)। गीली सीमा (wet range) में सतही तनाव (surface tension) सबसे महत्वपूर्ण बल है, जबकि सूखी सीमा (dry range) में सोखना (adsorption) मुख्य कारक है। इस प्रकार, नमी (moisture content) जितनी अधिक होगी, पानी के लिए मिट्टी का आकर्षण (attraction of the soil) उतना ही कम होगा। मिट्टी में पानी के तनाव की ऊर्जा (energy of water tension) विशिष्ट सतह (specific surface) के साथ-साथ मिट्टी की संरचना (structure of the soil) और इसकी विलेय सामग्री (solute content) पर निर्भर करती है। जब पानी बारीक केशिकाओं (fine capillaries) में मौजूद होता है, तो वह ऊर्जा जिसके साथ यह जुड़ा होता है, सतह के तनाव (surface tension) और केशिका आकार (capillary size) का एक कार्य (function) है, लेकिन जब यह बड़े छिद्रों (bigger pores) में मौजूद होता है, तो यह मिट्टी से ढीला (loosely) बंधा होता है और गुरुत्वाकर्षण (gravity) द्वारा काम किया जा सकता है। जब लवण (salts) पानी में घुल जाते हैं, तो वे पानी की मुक्त ऊर्जा (free energy of water) को कम कर देते हैं। इसमें घुले लवणों (salts dissolved) के आधार पर मिट्टी के पानी (Soil water) में शुद्ध पानी (pure water) की तुलना में कम मुक्त ऊर्जा (lower free energy) होती है। इसके अलावा, मिट्टी का पानी जो ठोस कणों (solid particles) से हाइग्रोस्कोपिक पानी (hygroscopic water) के रूप में बंधा होता है, संपर्क की सतह (surface of contact) द्वारा कसकर (tightly) रखा जाता है और बंधन बलों (binding forces) के आधार पर कम मुक्त ऊर्जा (low free energy) होती है। इस प्रकार, दो प्रकार की बातचीत (interactions) होती है जो पानी की मुक्त ऊर्जा (free energy) को कम करती है, अर्थात्, (i) लवण की घुलनशीलता (solubility of salts) के कारण, (ii) पानी और ठोस सतह (solid surface) की बातचीत के कारण। ये दोनों मिट्टी के पानी (soil water) की ऊर्जा को कम करने में एक साथ जुड़ते हैं। इस प्रकार, मिट्टी में पानी का प्रतिधारण (retention of water) और मिट्टी में पानी की आवाजाही (move in the soil) की प्रवृत्ति (tendency) ऊर्जा प्रभावों (energy effects) के परिणाम (consequences) हैं।