पौधों के जल संबंधों को प्रभावित करने वाले कारकों, और इस प्रकार उनके विकास और उपज प्रतिक्रियाओं को निम्नलिखित में समूहीकृत किया जा सकता है:
कोशिकाओं और पौधों की चयापचय गतिविधि उनके पानी की मात्रा से निकटता से संबंधित है। पौधों का विकास कोशिका विभाजन और वृद्धि की दर और नए जीवद्रव्य और कोशिका भित्ति के संश्लेषण के लिए आवश्यक कार्बनिक और अकार्बनिक यौगिकों की आपूर्ति द्वारा नियंत्रित होता है। कम होती पानी की मात्रा के साथ कोशिका स्फीति और विल्टिंग, कोशिका वृद्धि की समाप्ति, रंध्र का बंद होना, प्रकाश संश्लेषण में कमी और कई बुनियादी चयापचय प्रक्रियाओं में हस्तक्षेप होता है। अंततः, निरंतर निर्जलीकरण जीवद्रव्य के अव्यवस्था और अधिकांश जीवों की मृत्यु का कारण बनता है। शारीरिक प्रक्रियाओं में पानी की मात्रा का संबंध बीजों में आश्चर्यजनक रूप से दिखाया गया है, जहां पानी की मात्रा बढ़ने पर श्वसन और अन्य शारीरिक गतिविधियां कई गुना बढ़ जाती हैं। प्रकाश संश्लेषण में, पानी कार्बन डाइऑक्साइड के समान ही एक महत्वपूर्ण अभिकर्मक है। पौधों में पानी का एक आवश्यक कार्य विलायक के रूप में है जिसमें गैसें, खनिज और अन्य विलेय पौधे की कोशिकाओं में प्रवेश करते हैं और पौधे के भीतर एक कोशिका से दूसरी कोशिका और एक ऊतक से दूसरे ऊतक में जाते हैं। पानी के लिए अधिकांश कोशिका भित्ति और झिल्लियों की पारगम्यता के परिणामस्वरूप पूरे पौधे में एक निरंतर तरल चरण होता है जिसमें विलेय का स्थानांतरण होता है। पानी प्रकाश संश्लेषण और हाइड्रोलाइटिक प्रक्रियाओं जैसे स्टार्च का चीनी में हाइड्रोलिसिस सहित कई शारीरिक प्रक्रियाओं में एक अभिकारक या अभिकर्मक है। कोशिकाओं के विकास और पत्तियों और नई टहनियों के रूप और स्थिति के रखरखाव के लिए पर्याप्त स्फीति बनाए रखने के लिए पानी आवश्यक है।
पौधे के आवश्यक शारीरिक कार्यों के लिए आवश्यक पानी की कुल मात्रा आमतौर पर अवशोषित सभी पानी के पांच प्रतिशत से कम होती है। पौधे में प्रवेश करने वाला अधिकांश पानी वाष्पोत्सर्जन (transpiration) में खो जाता है, जो सीधे इसके विकास में बहुत कम योगदान देता है। हालांकि, वाष्पोत्सर्जन द्वारा खोए गए पानी को बदलने में विफलता के परिणामस्वरूप स्फीति की हानि, वृद्धि की समाप्ति, और निर्जलीकरण से पौधे की अंतिम मृत्यु होती है।
जल-पौधे के संबंध (water-plant relationship) के मुख्य क्षेत्र निम्नलिखित हैं: (1) जल अवशोषण जल संचलन और स्थानांतरण, और (3) जल की हानि या वाष्पोत्सर्जन।
फसल उत्पादकता (crop productivity) में पानी के महत्व को निर्धारित करने में हमें सभी तीन प्रक्रियाओं - अवशोषण, स्थानांतरण और वाष्पोत्सर्जन को स्पष्ट रूप से समझना होगा। अधिकतम जल उपयोग दक्षता प्राप्त करने के उद्देश्य से फसल प्रणालियों को विनियमित और संशोधित करने के लिए आवश्यक कदमों को पहचानने के लिए हमें पौधों की वृद्धि और फसल की उपज (crop yield) पर इन प्रक्रियाओं के प्रभाव का विश्लेषण करना होगा।
पौधों में पानी की मात्रा:पौधों के विभिन्न भागों में पानी की मात्रा भिन्न होती है। जड़ और तने के शिखर भागों में 90 प्रतिशत या अधिक पानी होता है। पत्तियां और युवा फल अन्य अंग हैं जो पानी से भरपूर होते हैं। जब अंग परिपक्व हो जाते हैं, तो उनमें पानी की मात्रा कम हो जाती है। बड़े पेड़ों की लकड़ियों में लगभग 50-60 प्रतिशत नमी हो सकती है जबकि गेहूं, जौ और ज्वार के तनों (stems of wheat, barley and sorghum) में लगभग 60-70 प्रतिशत पानी होता है जो कटाई के समय 5-10 प्रतिशत तक कम हो सकता है। अधिकांश फसलों के ताजे कटे हुए दानों में 10-15 प्रतिशत पानी होता है। वास्तव में, यह इन अनाजों की नमी सामग्री है जो उनके भंडारण जीवन, व्यवहार्यता और अंकुरण क्षमता को निर्धारित करती है।
मिट्टी-पौधे-वायुमंडल प्रणाली में जल का अवशोषण (Absorption of water in soil-plant-atmosphere system):विभिन्न फसली पौधों (crop plants) में जड़ प्रणाली अत्यंत परिवर्तनशील होती है। परिवर्तनशीलता जड़ की गहराई, जड़ की लंबाई और जड़ों के क्षैतिज वितरण में मौजूद है। ये पर्यावरणीय कारकों और आनुवंशिक गठन से और प्रभावित होते हैं। फिर भी, मिट्टी के गुण और जड़ें दोनों जड़ों द्वारा पानी के ग्रहण को निर्धारित करते हैं। जाहिरा तौर पर, अनाज की जड़ें अन्य फसलों की तुलना में मिट्टी के अधिक सतह क्षेत्र पर कब्जा करती हैं। उदाहरण के लिए, यह दिखाया गया है कि अनाज की जड़ें मिट्टी की सतह के क्षेत्र में 200-4000 सेमी/सेमी2 तक फैली हुई हैं, जबकि गैर-ग्रामिनस पौधों (non-graminaceous plants) के लिए 15-200 सेमी/सेमी2 है।
अकेले जड़ों के बजाय संपूर्ण मिट्टी-पौधे-वायुमंडल प्रणाली (total soil-plant-atmosphere system) में जल अवशोषण पर विचार करना वांछनीय है। इस प्रणाली में, कोई भी प्रणाली को इस तरह से विभाजित कर सकता है ताकि पौधे के विभिन्न भागों की भागीदारी को ध्यान में रखा जा सके। इस प्रणाली में पानी की प्रवाह दर निम्नलिखित समीकरण द्वारा दी गई है:
प्रवाह दर = \( rac{\psi_{soil} - \psi_{root\_surface}}{r_{soil}} \) = \( rac{\psi_{root\_surface} - \psi_{xylem}}{r_{root}} \) = \( rac{\psi_{xylem} - \psi_{leaf}}{r_{xylem}} \) = \( rac{\psi_{leaf} - \psi_{air}}{r_{leaf} + r_{rleaf}} \)
जिसमें, \( \psi \) प्रणाली के विभिन्न स्थलों पर जल क्षमता है और \( r \) संबंधित प्रतिरोध है।
जड़ों द्वारा जल अवशोषण जड़ की सतह पर पानी की आपूर्ति पर निर्भर है। इससे संबंधित दो मुख्य घटनाएं जड़ की सतह पर पानी की आवाजाही और मिट्टी के द्रव्यमान में जड़ों की वृद्धि हैं। जैसे ही मिट्टी संतृप्त अवस्था से सूख जाती है, मिट्टी में पानी की आवाजाही की दर तेजी से कम हो जाती है। क्षेत्र क्षमता से अधिक सूखी मिट्टी में पानी की आवाजाही मिट्टी में उस दूरी को नियंत्रित करती है जहां से जड़ें पानी निकाल सकती हैं। इस प्रकार, उन परिस्थितियों में जहां जड़ों द्वारा निकाला गया पानी अक्सर बारिश या सिंचाई द्वारा प्रतिस्थापित नहीं किया जाता है, यह महत्वपूर्ण है कि जड़ प्रणाली का लगातार विस्तार होना चाहिए या फिर वाष्पोत्सर्जन नुकसान (transpiration losses) को बदलने के लिए पौधे को पर्याप्त पानी प्रदान करने के लिए मिट्टी की पर्याप्त बड़ी मात्रा पर कब्जा कर लिया है। इसलिए, वे सभी कारक जो जड़ वृद्धि को प्रभावित करते हैं या जड़ों द्वारा मिट्टी की पर्याप्त बड़ी मात्रा के कब्जे को प्रभावित करते हैं, पौधों द्वारा पानी के अवशोषण को भी प्रभावित करेंगे।
जड़ों में पानी का वास्तविक प्रवेश जड़ों के अवशोषित क्षेत्र की सीमा, पानी की आवाजाही के लिए जड़ प्रांतस्था की पारगम्यता और जड़ की सतह पर पानी की क्षमता से प्रभावित होता है। जड़ और जाइलम के संचालन तत्वों के माध्यम से पत्तियों तक पानी की आवाजाही मिट्टी के पानी से पौधे के माध्यम से वायुमंडल तक फैली हुई जल क्षमता प्रवणता की प्रतिक्रिया में पत्तियों से वाष्पोत्सर्जन द्वारा शुरू और काफी हद तक नियंत्रित होती है। पानी पत्ती के जाइलम स्ट्रैंड से मेसोफिल ऊतक में और उप-स्टोमेटल गुहाओं (sub-stomatal cavities) की सीमा वाली कोशिका भित्ति के माध्यम से चलता है जहां तरल वाष्पीकृत होता है और रंध्र के उद्घाटन के माध्यम से पत्तियों से बाहर फैल जाता है। वाष्पोत्सर्जन, हालांकि एक ऊर्जा-नियंत्रित प्रक्रिया (energy-controlled process) है, मिट्टी, पौधे और वायुमंडलीय कारकों द्वारा संशोधित की जाती है जो पत्ती की सतह तक पानी के मार्ग के विभिन्न भागों में संभावित ग्रेडिएंट को नियंत्रित करते हैं।
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, पौधे-पानी के संबंधों (plant-water relations) में परस्पर संबंधित और अन्योन्याश्रित प्रक्रियाओं का एक समूह शामिल है। इस प्रकार, पौधे का आंतरिक जल संतुलन या स्फीति की डिग्री जल अवशोषण और पानी के नुकसान की सापेक्ष दर पर निर्भर करती है, और वायुमंडलीय, मिट्टी और पौधों के कारकों के जटिल से प्रभावित होती है जो अवशोषण और वाष्पोत्सर्जन की दर को संशोधित करते हैं।
पानी संभावित ग्रेडिएंट की प्रतिक्रिया में चलता है। जब पौधे की जड़ें मिट्टी की जल क्षमता के साथ संतुलन में होती हैं, और मिट्टी के पानी की क्षमता ग्रेडिएंट शून्य के करीब होती है, तो पत्ती स्फीति या पौधे के पानी की क्षमता का एक आधार स्तर पहुंच जाता है। रात और सुबह-सुबह (सूर्योदय से पहले - prior to sunrise) वाष्पीकरण की कम मांग की स्थितियों में पानी की क्षमता के मूल्य अक्सर इस स्तर पर या उसके करीब होते हैं। दिन के दौरान, वाष्पीकरण (evaporation) में वृद्धि के साथ, वाष्पोत्सर्जन की दर में वृद्धि, ऊपरी पत्तियों के टर्गर दबाव में कमी का कारण बनती है और पत्तियों की वाष्पीकरण सतह से जड़ों की अवशोषित सतह तक पौधे के माध्यम से जल क्षमता ग्रेडिएंट का विकास होता है। स्थितियाँ अक्सर ऐसी होती हैं कि पानी के नुकसान की दर जल अवशोषण की दर से अधिक हो जाती है, जिससे पौधे में आंतरिक जल की कमी विकसित हो जाती है। यह आंतरिक जल घाटा है, पौधे में कई शारीरिक प्रक्रियाओं पर इसके प्रभाव के माध्यम से जो मौजूदा परिस्थितियों में फसल के विकास और उपज के लिए सीधे जिम्मेदार है।
किसी फसल की उपज कई शारीरिक प्रक्रियाओं का एकीकृत परिणाम है। पानी का तनाव प्रकाश संश्लेषण और श्वसन के बाद हो सकता है। यह विकास और प्रजनन को भी प्रभावित कर सकता है। पानी के तनाव के तहत पत्ती क्षेत्र, कोशिका आकार और अंतर-कोशिकीय मात्रा (inter-cellular volume) में कमी आम है। जीवद्रव्य का निर्जलीकरण कई शारीरिक प्रक्रियाओं को कम करने के लिए जिम्मेदार हो सकता है। जल तनाव पौधों के कार्बोहाइड्रेट और नाइट्रोजन चयापचय में महत्वपूर्ण परिवर्तन पैदा करता है। पौधे के विकास के कुछ महत्वपूर्ण चरणों में जल तनाव अन्य चरणों की तुलना में अधिक चोट का कारण बनता है। उदाहरण के लिए, गेहूं की फसल (wheat crop) की उपज बढ़ाने के लिए मुकुट जड़ दीक्षा चरण पर सिंचाई आवश्यक दिखाई गई है।
नमी निष्कर्षण पैटर्न से पता चलता है कि नमी कैसे निकाली जाती है और जड़ क्षेत्र में विभिन्न गहराई के स्तर पर कितनी मात्रा निकाली जाती है। नमी निष्कर्षण पैटर्न फसल के जड़ क्षेत्र के भीतर विभिन्न गहराई से निकाली गई नमी की सापेक्ष मात्रा को दर्शाता है।
एक समान मिट्टी में बढ़ने वाले पौधे की नमी निष्कर्षण पैटर्न एक प्रतिबंधात्मक परत के बिना और पूरे क्षेत्र में उपलब्ध मिट्टी की नमी की पर्याप्त आपूर्ति के साथ चित्र में दिखाया गया है।
चित्र से यह देखा जा सकता है कि कुल नमी का लगभग 40% जड़ क्षेत्र की पहली तिमाही से, 30% दूसरी तिमाही से, 20% तीसरी तिमाही से और 10% अंतिम तिमाही से निकाला जाता है।
यह इंगित करता है कि अधिकांश फसलों में प्रभावी जड़ क्षेत्र पहली तिमाही में उपलब्ध होगा और इसका मतलब यह नहीं है कि अंतिम तिमाही में पानी की आवश्यकता नहीं होगी। इसलिए जड़ क्षेत्र में विभिन्न गहराई पर मिट्टी की नमी माप लिया जाना चाहिए:
विभिन्न फसली पौधों में जड़ प्रणाली अत्यंत परिवर्तनशील होती है।
परिवर्तनशीलता जड़ की गहराई, जड़ की लंबाई और जड़ों के क्षैतिज वितरण में मौजूद है। ये पर्यावरणीय कारकों और आनुवंशिक गठन से और प्रभावित होते हैं।
जाहिरा तौर पर अनाज की जड़ें अन्य फसलों की तुलना में मिट्टी के अधिक सतह क्षेत्र पर कब्जा करती हैं। उदाहरण के लिए, यह साबित हो गया है कि अनाज की जड़ें मिट्टी की सतह के क्षेत्र के 200-400 सेमी/मीटर2 तक फैली हुई हैं, जबकि अधिकांश ग्रामिनस पौधों के लिए 15-200 सेमी/मीटर2 है।
पौधे के लिए उपलब्ध मिट्टी की नमी की मात्रा मिट्टी की गहराई की नमी विशेषताओं और जड़ों के घनत्व से निर्धारित होती है। FC (क्षेत्र क्षमता) और PWP (स्थायी म्लानि बिंदु) जैसी मिट्टी की नमी विशेषताओं को इतनी आसानी से बदला नहीं जा सकता है और पौधों की प्रणाली की जड़ विशेषताओं को बदलने की अधिक संभावनाएं मिट्टी की गहरी परतों के साथ-साथ बड़े सतह क्षेत्र से पानी को निकालने के लिए गहरी और सघन और अधिक प्रसार में जाने के लिए निहित हैं।
पौधे आनुवंशिक रूप से अपनी जड़ विशेषताओं में भिन्न होते हैं (चित्र - Figure)। प्याज, आलू, गाजर आदि जैसी सब्जी फसलों (Vegetable crops) में बहुत विरल जड़ प्रणाली होती है और जड़ में मौजूद सभी मिट्टी के पानी का उपयोग करने में असमर्थ होते हैं।
चावल, घास, ज्वार, मक्का, गन्ना (Rice, Grasses, sorghum, maize, sugarcane) में बहुत रेशेदार घनी जड़ प्रणाली होती है जो मिट्टी से बहुत अधिक पानी निकाल सकती है। बाजरा, मूंगफली, चना मध्यम गहराई वाले होते हैं।
मक्का, ज्वार, ल्यूसर्न, कपास (Maize, sorghum, lucerne, cotton) और बारहमासी पौधों में गहरी जड़ प्रणाली होती है और वे जड़ क्षेत्र के साथ-साथ अप्रयुक्त गहरे क्षेत्रों में जमा नमी का प्रभावी ढंग से उपयोग कर सकते हैं। कपास, ज्वार, लाल चना (cotton, sorghum, red gram) जैसी घनी और गहरी जड़ प्रणाली वाली फसलें मिट्टी में पानी की मात्रा में उच्च कमी को सहन करती हैं। चावल, आलू, टमाटर जैसी उथली जड़ वाली फसलें मिट्टी के पानी की कमी के निम्न स्तर को सहन करती हैं। बाजरा, मूंगफली, चना जैसी मध्यम गहरी जड़ वाली फसलें मिट्टी के पानी की कमी के मध्यम स्तर को सहन करती हैं।
फसली पौधों की जड़ वृद्धि निम्न कारकों से प्रभावित होती है:
यह वह गहराई है जिसमें सक्रिय जड़ प्रसार होता है और जहां अधिकतम जल अवशोषण हो रहा है। यह आवश्यक नहीं है कि जड़ की पूरी गहराई प्रभावी हो।
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