Лекция 4

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВЫ

Лучистая энергия в деятельном слое преобразуется в тепло­вую. При положительном радиационном балансе (днем, летом) часть этого тепла затрачивается на нагревание деятельного слоя, часть — на нагревание приземного воздуха, растений, а часть — на испарение воды с почвы и растений. Когда радиационный баланс отрицательный (ночью, зимой), затраты тепла, связан­ные с эффективным излучением деятельной поверхности, ком­пенсируются приходом тепла из деятельного слоя, от воздуха, часть тепла выделяется при конденсации (сублимации) водяного пара на деятельной поверхности. Этот приход и расход энергии на деятельной поверхности выражаются уравнением теплового баланса:

В=А+Р+LЕ

где В — радиационный баланс деятельной поверхности; А — поток тепла между деятельной поверхностью и нижележащими слоями; Р — поток тепла между по­верхностью и приземным слоем воздуха; LЕ — поток тепла, связанный с фазовы­ми преобразованиями воды (испарение — конденсация).

 Другие составляющие теплового баланса земной поверхности (потоки тепла от энергии ветра, приливов, от выпадающих осад­ков, расход энергии на фотосинтез и др.) значительно меньше указанных ранее членов баланса, поэтому их можно не прини­мать во внимание.

Смысл уравнения заключается в уравновешивании радиаци­онного баланса земной поверхности нерадиационной передачей тепла.

Суточный и годовой ход температуры поверхности почвы

Из того, что тепловой баланс земной поверхности равен нулю, не следует, что температура поверхности не меняется. Когда передача тепла направлена вниз (+А), то значительная часть тепла, приходящая к поверхности сверху, остается в дея­тельном слое. Температура этого слоя, а следовательно, и дея­тельной поверхности при этом возрастают. Напротив, при пере­даче тепла через земную поверхность снизу вверх (-А) тепло в атмосферу уходит прежде всего из деятельного слоя, вследствие чего температура поверхности понижается.

Дневное нагревание и ночное охлаждение поверхности по­чвы вызывают суточные колебания ее температуры. Суточный ход температуры имеет обычно по одному максимуму и миниму­му. Минимум температуры поверхности почвы при ясной пого­де наблюдается перед восходом Солнца, когда радиационный баланс еще отрицателен, а обмен теплом между воздухом и поч­вой незначителен. С восходом Солнца, по мере увеличения ра­диационного баланса, температура поверхности почвы возраста­ет. Максимум температуры наблюдается около 13 ч, затем тем­пература начинает понижаться.

В отдельные дни указанный суточный ход температуры по­чвы нарушается под влиянием облачности, осадков и других факторов. При этом максимум и минимум могут смещаться на другое время.

Разность между максимумом и минимумом в суточном или годовом ходе называется амплитудой хода температуры.

На амплитуду суточного хода температуры поверхности по­чвы влияют следующие факторы:

время года: летом амплитуда наибольшая, зимой — наимень­шая;

географическая широта: амплитуда связана с полуденной вы­сотой Солнца, которая возрастает в направлении от полюса к экватору, поэтому в полярных районах амплитуда незначитель­на, а в тропических пустынях, где к тому же велико эффектив­ное излучение, она достигает 50...60 0С;

рельеф местности: по сравнению с равниной южные склоны нагреваются сильнее, северные — слабее, а западные — несколько сильнее восточных, соответственно изменяется и амплитуда;

растительный и снежный покров: амплитуда суточного хода под этими покровами меньше, чем при их отсутствии, так как они уменьшают нагрев и охлаждение поверхности почвы;

цвет почвы: амплитуда суточного хода температуры поверх­ности темных почв больше, чем светлых, поскольку поглощение и излучение радиации у первых больше, чем у вторых;

состояние поверхности: рыхлые почвы имеют большую амп­литуду, чем плотные; в плотных почвах поглощенное тепло рас­пространяется вглубь, а в рыхлых остается в верхнем слое, по­этому последние больше нагреваются;

влажность почвы: на поверхности влажных почв амплитуда меньше, чем на поверхности сухих; во влажных почвах погло­щенное тепло, как и в плотных почвах, распространяется вглубь, а часть тепла затрачивается на испарение, вследствие этого они меньше нагреваются, чем сухие;

облачность: в пасмурную погоду амплитуда значительно меньше, чем в ясную, так как облачность уменьшает дневной прогрев и ночное охлаждение деятельной поверхности.

Годовой ход температуры поверхности почвы определяется различным приходом солнечной радиации в течение года.

Наименьшие температуры на поверхности почвы обычно на­блюдаются в январе — феврале, наибольшие — в июле или авгус­те.

На амплитуду годового хода температуры поверхности почвы влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода, за ис­ключением широты места. Амплитуда годового хода в отличие от суточного возрастает с увеличением широты.

Теплофизические характеристики почвы

Между поверхностью почвы и ее нижележащими слоями про­исходит непрерывный обмен теплом. Передача тепла в почву осуществляется главным образом за счет молекулярной тепло­проводности.

Нагревание и охлаждение почвы в основном зависят от ее теплофизических характеристик: теплоемкости и теплопровод­ности.

Теплоемкость — количество тепла, необходимое для повышения температуры почвы на 1 °С. Различают удельную и объемную теплоемкость.

Удельной теплоемкостью (С_уд) называют количество тепла, не­обходимое для нагревания 1 кг почвы на 1 °С.

Объемной теплоемкостью (С_об) называют количество тепла, не­обходимое для нагревания 1 м3 почвы на 1° С. 

Способность почвы передавать тепло от слоя к слою называ­ют теплопроводностью.

Мерой теплопроводности почвы служит коэффициент тепло­проводности, который численно равен количеству теп­ла, Дж, проходящего за 1 с через основание столба почвы сече­нием 1 м² и высотой 1 м.

Коэффициент теплопроводности почвы зависит главным образом от соотношения содержания в ней воздуха и воды.

Теплофизические характеристики почвы также зависят от её плотности. С уменьшением плотности теплоемкость и тепло­проводность сухих почв снижаются. Поэтому разрыхленные по­чвы в пахотном слое днем теплее, чем плотные, а ночью холод­нее. Кроме того, разрыхленная почва имеет большую удельную поверхность, чем плотная, и поэтому днем поглощает больше радиации, а ночью интенсивнее излучает тепло.

Измерение температуры и глубины промерзания почвы

Для измерения температуры почвы применяют жидкостные (ртутные, спиртовые, толуоловые), термоэлектрические, элект­ротермометры сопротивления и деформационные термометры.

Срочный термометр ТМ-3, ртутный, используют для измере­ния температуры поверхности почвы в данный момент (срок).

Максимальный термометр ТМ-1, ртутный, служит для изме­рения наивысшей температуры поверхности за период между сроками наблюдений.

Максимальный термометр отличается от срочного тем, что в канал капилляра непосредственно около резервуара входит тон­кий штифтик, впаянный в дно резервуара. В ре­зультате этого в месте сужения происходит разрыв ртути, и та­ким образом фиксируется максимальное значение температуры за данный промежуток времени.

Минимальный термометр ТМ-2, спиртовой, применяют для измерения самой низкой температуры поверхности почвы за пе­риод между сроками наблюдений. Особенность устройства этого термометра заключается в том, что внутрь капилляра закладыва­ется маленький из темного стекла штифтик. При понижении температуры поверхностная пленка менис­ка движется в сторону резервуара и перемещает за собой штиф­тик. При повышении температуры спирт, расширяясь, свободно обтекает штифтик. Последний остается на месте, указывая уда­ленным от резервуара концом минимальную температуру между сроками наблюдений.

Коленчатые термометры (Савинова) ТМ-5, ртутные, предназ­начены для измерения температуры почвы в теплый период на глубинах 5, 10, 15 и 20 см.

Термометр-щуп АМ-6, толуоловый, используют для походных измерений температуры почвы на глубинах 3...40 см.

Транзисторный электротермометр ТЭТ-2 применяют для из­мерения температуры пахотного слоя в теплый период. Им можно измерять и температуру в буртах корнепло­дов, картофеля, в зерновой массе в засеках.

Трость агронома ПИТТ-1 предназначена для измерения тем­пературы пахотного слоя и замера глубины вспашки. Принцип его действия основан на измерении омического со­противления в зависимости от температуры.

Вытяжные термометры ТПВ-50, ртутные, предназначены для измерений температуры почвы на глубинах 20...320 см в течение года. Их можно также использовать в хозяйствах для измерения температуры в буртах, силосных ямах и т. п.

В последнее время получили развитие методы бесконтактно­го определения температуры поверхности почвы со спутников, самолетов и вертолетов, позволяющие получать осредненные значения температуры для значительных участков земной по­верхности.

Мерзлотомер АМ-21 применяют для измерения глубины промерзания почвы. Этот прибор состоит из эбонито­вой трубки, на верхней части которой нанесены деления в сан­тиметрах для определения высоты снежного покрова. В эту трубку помещают резиновую трубку с делениями через 1 см, за­полненную дистиллированной водой.

Температуру по Международной практической шкале изме­ряют в градусах Цельсия (°С). Градус по этой шкале составляет 1/100 интервала между точками таяния льда (0 °С) и кипения воды (100 °С).

Значение температуры почвы для растений

Одним из важнейших факторов жизни растения является температура почвы. Прорастание семян, развитие корневой системы, жизнедеятельность почвенной микрофлоры, усвое­ние корнями продуктов минерального питания и др. в боль­шой степени зависят от температуры почвы. С повышением температуры почвы все эти процессы активизируются. Значи­тельное понижение температуры почвы приводит к гибели по­севов озимых зерновых культур, многолетних трав и плодовых деревьев.

Семена большинства сельскохозяйственных культур в сред­ней полосе прорастают при температуре 3...5 °С, а такие, как рис, хлопчатник и др., требуют значительно более высоких тем­ператур - 13...15 °С.

С повышением температуры почвы до оптимальной скорость прорастания семян возрастает, что обусловливает сокращение продолжительности периода от посева до появления всходов.

Температурный режим почвы непосредственно влияет на скорость роста корневой системы. При пониженных и повышенных температурах показатели роста ухудшаются.

После появления всходов температура почвы не теряет свое­го значения для растений. Они лучше растут и развиваются, если их корни находятся в среде с несколько пониженной (на 5...10 °С) температурой по сравнению с надземными органами.

Температура почвы оказывает большое влияние на жизнедея­тельность микроорганизмов и, следовательно, на обеспечен­ность растений элементами минерального питания, скорость разложения органического вещества, синтез гуминовых веществ и т. д.

Температурный режим определяет накопление подвижных питательных веществ в почве. Воздействуя на скорость движе­ния воды и растворимых солей, температура влияет на темпы поступления питательных веществ в растения из почвы и вне­сенных удобрений. При невысоких температурах (8...10 °С) сни­жается, например, поступление в корни и передвижение из кор­ней в надземные органы азота, ослабляется его расход на обра­зование органических азотных соединений. При более низких температурах (5...6 °С и ниже) поглощение корнями азота и фос­фора резко уменьшается. Снижается при этом и поглощение ка­лия.

Тесно связаны с температурным режимом почвы также рас­пространение и вредоносность болезней и вредителей сельско­хозяйственных растений. У ряда теплолюбивых культур (кукуру­за, хлопчатник) болезни проростков и повреждение семян пле­сенью проявляются при низких температурах (в холодные вёс­ны), когда термические условия неблагоприятны для растений.

Вредители растений, личинки которых находятся в почве, в зависимости от температуры могут принести больший или мень­ший вред.