Роль тепла в жизни почвы, растений и микроорганизмов

Рубрики: Земледелие

Тепловой режим почвы

Роль тепла в жизни растений многогранна. Об этом обстоятельно излагается в физиологии растений и растениеводческих науках. Поэтому остановимся только кратко на некоторых аспектах вопроса.

В процессе онтогенеза растения тесно связаны с большим комплексом процессов, происходящих в почве, каждый из которых является функцией температуры. Так, растворимость любых минеральных веществ является функцией температуры точно так же, как вязкость воды обратно пропорциональна температуре. При температуре 4ºС вязкость воды достигает величины, при которых практически прекращающей поступления её в растения. Все химические реакции в почве и в корнях зависят от температуры. От последней зависит растворимость кислорода и углекислоты в почвенном растворе, а также адсорбция этих газов на поверхности почвенных частиц. От температуры зависит и скорость газообмена (диффузия) между почвенным и атмосферным воздухом.

Температура почвы весьма сложно действует на скорость поступления воды в корни растений, а также на величину транспирации. При понижении температуры невозможно быстрое поступление воды в растения, уменьшается скорость поступления воды из почвы к корням. Если при 25ºС водоотдающую силу почвы принять за 1, то при 0ºС она составит от 1/3 до ½ этой величины (И. Б. Ревут, 1972). При повышении вязкости при понижении температуры снижается поступление воды не только из почвы в корни, но и движение её по корню. Снижается при этом и проницаемость протоплазмы клеток, что также уменьшает скорость передвижения влаги по растению. Все это приводит к снижению скорости роста корней.

Температура почвы имеет большое значение и для Жизнедеятельности микроорганизмов. Чувствительность микроорганизмов почвы к её температуре столь значительна, что существует группировка, или классификация, микроорганизмов по их отношению к температуре.

1. Мезофилиные микроорганизмы, оптимум температуры для которых колеблется в пределах 20-40ºС. Но они могут развиваться и в пределах от 3 до 45ºС. К этой группе относится большинство почвенных бактерий, грибов, актиномицетов.

2. Психрофильные организмы, имеющие температурный оптимум в пределах 10-20ºС. Эти организмы проявляют жизнедеятельность даже при температуре ниже нуля (железо-бактерии и др.).

3. Термофильные с температурным оптимумом в 50-60ºС.

Между этими группами имеются переходные, к которым относятся так называемые термотолерантные микроорганизмы, не имеющие температурного оптимума, но замедляющие свой рост при высоких температурах.

Для большинства микроорганизмов, существенную роль в питании растений, оптимум температуры обычно лежит в области 20-30ºС.

Таким образом, температура почвы является одним из решающих факторов жизни растений и почвенных микроорганизмов, а следовательно, и в таких важнейших процессах на земле, как образование и разрушение органического вещества вообще в круговороте элементов и соединений на нашей планете.

Температурный режим почвы является существенным фактором почвообразования.

Под влиянием градиента температур происходит физическое выветривание материнской породы, непрерывный процесс движения влаги в почве как в капельно-жидком, так и в парообразном видах. Если процессы почвообразования затухают в пересушенной почве, то в неменьшей мере они тормозятся при низких либо чрезмерно высоких температурах. Наоборот, при оптимальном сочетании температуры и влажности многие процессы в почве протекают весьма бурно, что приводит к нарастанию уровня плодородия. Примером могут служить наши чернозёмы с огромным запасом гумуса. Обратная картина наблюдается на орошаемых серозёмах, где процессы минерализации органического вещества часто идут до конца именно вследствие чрезмерно высоких температур.

Перепады температур, особенно смена положительных и отрицательных, замерзания и оттаивания, часто также являются важнейшими факторами почвообразования. Вот почему изучение температур в почве, закономерностей их изменения является важнейшей задачей почвоведения, и в частности физики почв.

2. Источники тепла в почвах т трансформация солнечной энергии на поверхности почвы

Основной источник тепла в почве – солнечная радиация. Небольшое количество его выделяют некоторые элементы земной коры при радиоактивном распаде, выделяется оно при биологических процессах и химических реакциях, а также при смачивании сухой почвы сухой почвы (теплота смачивания).

Приход тепла из нижних нагретых слоёв Земли в верхние — незначительный и практического значения не имеет. Приток тепла от Солнца и аккумуляция его почвой зависит от географического положения территории, свойств поверхности и верхних горизонтов почвы.

Источником всех тепловых эффектов на поверхности земли является притекающая к ней прямая кратковолновая солнечная радиация (Iδ).

Так как на поверхности Солнца температура около 6000 К, то его видимый световой диапазон включает λ = 0,3 – 0,7 мкм, диапазон инфракрасного излучения с длиной волн до 3 мкм и ультрафиолетового с λ < 0,3 мкм. Этот поток солнечной радиации (и все остальные) определяется как количество тепла, приходящие на единицу площади в единицу времени, и в системе СИ его выражают в Вт · м -2, а в системе СЧС – в кал · мин · см -2.

В верхних слоях атмосферы от Солнца поступает 1312 Дж/м2 · с, к поверхности Земли тепла доходит значительно меньше.

Другая часть солнечной радиации, называемая рассеянной (Iа) притекает к земной поверхности после рассеяния молекулами газов, входящих в состав воздуха, пыльниками, инородной примесью, ионами. В совокупности весь поток солнечной радиации Iδ + Iа, называется суммарным потоком.

Спектр прямой и рассеянной солнечной радиации складывается из коротковолновой (0,28 – 4,0 мкм) и длинноволновой (4 – 40 мкм), причём отрезок от 0,38 до 0,71 мкм включает фотосинтетическую активную радиацию (ФАР). На территории бывшего СССР с севера на юг ФАР возрастает с 4 · 108 Дж/м2 за сезон на широте > 60˚ до 25-60·108 Дж/м2 на широте 50 – 40˚ северной широты, увеличиваясь с востока на запад. Потенциальный хозяйственно ценный урожай в названных широтах возрастает с увеличением ФАР.

Альбедо поверхности почвы. Солнечная радиация (прямая и рассеянная) частично отражается от поверхности почвы. Поток отражённой радиации, выраженный в % от первоначальной, достигшей поверхности почвы, называется Альбедо (а). Чем оно выше, тем меньше нагревается поверхность почвы. Альбедо почвы зависит от её окраски, шероховатости и наклона поверхности, влажности и характера растительного покрова (табл. 1). Измеряют его альбедометрами разных конструкций.

1. Коэффициент отражения суммарной радиации (а) от природных поверхностей (по Ван Вийку и Убичу, 1968; цит. По А. Д. Воронину, 1986)

Характер поверхности А Характер поверхности А
Свежий снег 0,8-0,85 Паровое поле 0,12-0,35
Тающий снег 0,3-0,65 Влажная пашня 0,05-0,14
Высохшая степь 0,5 Зелёный травостой 0,16-0,27
Известь 0,45 Сухой травостой 0,16-0,19
Кварцевый песок 0,35 Влажная степь 0,22
Влажная тёмная глина 0,02-0,08 Сухая степь 0,32
Сухая тёмная глина 0,16 Скошенное поле 0,15-0,17
Влажный песок 0,09 Поле зерновых культур 0,1-0,25

Тепловое излучение почвы. Так как температура поверхности почвы обычно порядка 300 К, и спускаемое ею излучение имеет пик интенсивности при длинах волн около 10 мкм и распределение длин волн в диапазоне 3-50 мкм. Это область инфракрасного, или теплового излучения. Эта длинноволновая радиация излучается поверхностью почвы обратно в атмосферу в количестве Iie и зависит прежде всего от температуры поверхности почвы.

Алгебраическая сумма радиационных потоков на поверхности почвы или радиационный баланс в дневное время составляет величину

I n = (I s + I a)(1 – a )+(I li – I le).

В ночное время I s = 0 и I а = 0, и весь радиационный баланс выражается следующей формулой

I s = I li – I le

3. Теплофизические характеристики почвы

Температурный режим почв зависит не только от количества тепла, поступающего на их поверхность, но и от теплофизических характеристик почв, к которым относится теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность, коэффициент теплоусвояемости почв и теплота смачивания как дополнительный источник тепла.

3.1. Теплоёмкость

Количество тепла в джоулях, необходимое для нагревания 1 г абсолютно сухой почвы на 1˚С, называют удельной теплоёмкостью массы, а количество тепла, необходимое для нагревания 1 см3 сухой почвы на 1˚С, называют объёмной удельной теплоёмкостью.

Объёмная теплоёмкость и теплоёмкость массы связаны между собой уравнением

Объемная теплоемкость

Где d – плотность твёрдой фазы почвы.

Теплоёмкость твёрдой фазы почвы (Cb) аддитивной величиной и равна сумме теплоёмкостей составляющих её компонентов.

Объёмная теплоёмкость почвы естественного сложения зависит от теплоёмкости твёрдой фазы почвы, влажности почвы и содержания в ней воздуха. Её легко вычислить, зная объёмную удельную теплоёмкость и количественный состав компонентов. В среднем удельная объёмная теплоёмкость твёрдой фазы почвы равна 1,7·106, воды – 4,2·106, воздуха – 1,5·103 Дж/м3. Если объёмную теплоёмкость воды принять за 1, то теплоёмкость воздуха составит 0,000306, а твёрдой фазы почти в 2 раза меньше, чем воды. Если скважность почвы равна 50%, объёмная влажность 30%, то объём твёрдой фазы равен 100 – 50 = 50% и воздуха 20%.

Тогда

теплоёмкость воздуха

Таким образом, наибольшая теплоёмкость воды. Теплоёмкость воздуха ничтожно мала и в расчёт её часто не принимают. Различиями в теплоёмкости фаз и объясняется известный в почвоведении факт медленного прогревания тяжёлых сырых почв, называемых поэтому «холодными», и лучшего прогревания лёгких, называемых «тёплыми».

Теплоёмкость почвы определяется с помощью калориметра.

3.2. Теплопроводность

Под теплопроводностью почвы понимают способность поглощать и проводить тепло от слоя к слою в направлении, обратном термическому градиенту, т. е. от горячих участков в холодные. Количество передающейся через слой почвы тепловой энергии пропорционально градиенту температуры и коэффициенту теплопроводности. Коэффициент теплопроводности () равен количеству тепла в Дж, прошедшего в секунду через почву сечением 1 см2 (10-4м2) при толщине слоя 1 см (10-2м) и температурном градиенте на концах слоя в 1˚С. Размерность коэффициента в системе СИ – Дж/(м·с·˚С). Величина теплопроводности зависит от теплопроводности основных компонентов её (твёрдой и жидкой фазы).

Коэффициент теплопроводности твёрдой фазы почвы колеблется в пределах 2,43 – 0,38, для воды этот коэффициент равен 0,52, для воздуха 0,15 Дж/(м·с·˚С).

Прогревание глубины слоёв почвы прямо пропорционально её теплопроводности и обратно пропорционально теплоёмкости.

До определённого предела теплопроводность сильнее изменяется с изменением влажности по сравнению с теплоёмкостью. В диапазоне влажностей, чаще всего встречающихся в полевых условиях, теплоёмкость может изменяться с изменением влажности в 3-4 раза. В то же время в этом же диапазоне влажностей теплопроводность может изменяться в 100 и более раз.

В отличие от теплоёмкости теплопроводность зависит не только от соотношения объёмных долей составляющих почву фаз и компонентов, но и от размера, формы и пространственного расположения элементарных почвенных частиц, т. е. от гранулометрического состава и структуры почвы.

Это связано с тем, что теплопередача в такой многофазной системе, как почва, осуществляется с помощью механизмов. Одним из основных среди них является Кондукция, или собственно теплопроводность, при которой перенос тепла происходит путём непосредственного соприкосновения между частицами почвы.

Определённый вклад в теплопроводность почвы вносит Конвекция, происходящая лишь и в жидкой и газовой фазах почвы. Теплопередача при конвекции происходит путём перемещения частиц. Тепло в почве может передаваться с помощью массообмена, предполагающего перемещение влаги в почве как в форме пара, так и в виде жидкости.

Тепловая энергия может передаваться в почве путём переноса скрытой теплоты. Сюда относится процесс перегонки, включающий теплопоглощающую стадию испарения, за которым следует конвективное или диффузное перемещение пара, оканчивающееся тепловыделением при конденсации. Наконец, перенос тепла может происходить путём излучения от частицы к частице.

Перенос тепла через почвенную поверхность может происходить путём какого-либо одного или всеми перечисленными механизмами. Однако основным из них является тепла посредством молекулярной проводимости, или кондукции.

Теплопроводность почвы зависит от её плотности и пористости, содержания влаги в ней, дисперсности и минералогического состава. Чем выше теплопроводность, тем лучше теплоотдача и тем быстрее прогревается и охлаждается почва.

3.3. Температуропроводность

Температуропроводность характеризует способность почвы выравнивать свою температуру при наличии разницы нагрева в данной и соседней точках.

Коэффициент температурности КT равен тому повышению температуры, которое произойдёт в единице объёма почвы при поступлении в неё тепла, численно равного её тепловодности :

коэффициент температурности ,

Где Cv – объёмная теплоёмкость почвы.

В системе СИ КT выражают в м2/с при теплопроводности 1 Дж/м·˚С, удельной теплоёмкости ё Дж/кг·˚С и плотности – кг/м3.

Температуропроводность почвы в лабораторных условиях можно определить калориметрическим методом по Кондратьеву.

Поскольку коэффициент температуропроводности (КT) Численно равен коэффициенту теплопроводности () образца почвы и обратно пропорциональный объём теплоёмкости (СV), поскольку он зависит от тех же факторов, что и И СV, Но и имеет свою специфику. А. Ф. Чудновский (1967) показал, что с изменением влажности почвы коэффициент температуропроводности изменяется по закону максимума:

закон максимума

Где a, b и c – эмпирические коэффициенты, разные для разных почв.

В. Н. Димо (1948) также было установлено, что температуропроводность почв увеличивается с ростом влажности до известного предела, после чего её величина уменьшается, и показано, что максимальное значение температуропроводности для суглинка соответствует 70% наименьшей влагоёмкости, т. е. находится в пределах разрыва капиллярной связи. Исследованиями В. П. Панфилова, С. В. Макарычева, А. И. Лунина и др. (1981) также показано, что максимальная температуропроводность отмечается при РВК. Для пахотного чернозёма выщелоченного коэффициент температуропроводности для абсолютно сухой почвы составил 0,390 м2 · с-1, при максимальной гигроскопичности 0,484, при влажности завядания – 0,532, при влажности разрыва капиллярной связи – 0,723, при наименьшей влагоёмкости – 0,621, и при полной влагоёмкости – 0,382 м2 · с-1.

Ряд учёных такую зависимость объясняют следующим образом. Как уже отмечалось, зависимость теплопроводности от влажности изменяется по закону насыщения, а теплоёмкости от влажности – по линейному закону. Вначале теплопроводность быстрее растёт с увеличением влажности, чем теплоёмкость, и отмечается резкое увеличение температуропроводности с изменением влажности, но, как только изменение теплопроводности с изменением влажности становится незначительным, а это происходит при влажности, близкой к определённой величине, а теплоёмкость по-прежнему продолжает возрастать по линейному закону, температуропроводность начинает падать.

3.4. Теплота смачивания

При смачивании абсолютно сухой почвы водой выделяется тепло. Теплота смачивания образуется главным образом за счёт снижения кинетической энергии молекул воды, адсорбируемых на поверхности почвенных частиц, и гидратации поглощённых катионов. Величина её зависит от общей поверхности, минералогического и химического состава почвы. Этот показатель имеет важное физическое значение для физической характеристики почвы. Определяется с помощью калориметров системы Янерта, Сергеева, Андрианова. В практике наиболее распространён последний.

По теплоте смачивания (q) вычисляют величину максимальной гигроскопичности Wмт% 2 q. Величина теплоты смачивания q может служить мерой гидрофильности почвы (С. И. Долгов, 1966):

Почвы активные, весьма гидрофильные q > 62,8 Дж/г

Гидрофильные q = 42 – 59 Дж/г

Умеренно гидрофильные q = 21 – 42 Дж/г

Слабо гидрофильные q < 12,6 Дж/г.

4. Тепловой баланс почвы

Закономерности температурного поля в почвах можно рассматривать лишь на основе анализа теплового баланса на её поверхности, т. е. приходных и расходных статей баланса или составляющих компонент баланса.

Следует учитывать, что только на поле, лишенного растительного покрова, имеются условия для рассмотрения теплового баланса на поверхности почвы. На полях, занятых растительностью, речь должна идти о тепловом балансе деятельной поверхности, под которой понимается поверхность, где происходит трансформация лучистой энергии в другие виды энергии. Чем выше растительный покров и чем больше его масса, тем дальше от поверхности почвы находится деятельная поверхность.

Различают четыре статьи теплового баланса, каждая из которых в свою очередь, состоит из двух или нескольких составляющих.

1. Источником всех энергетических процессов на земле является притекающая к её поверхности солнечная радиация в виде прямой и рассеянной радиации (Qp). Часть этой приходящейся коротковолновой радиации тут же отражается (Qотр). К приходным статьям теплового баланса относится также длинноволновое излучение атмосферы (Q), значительная часть которого излучается поверхностью почвы обратно в атмосферу в виде длинноволновой радиации (Qизл). Алгебраическая сумма перечисленных статей носит название радиационного баланса поверхности (Q):

Q= Qp + Q— Qотр — Qизл

Баланс же только длинноволновой радиации Qэф = Q— Qизл и называется эффективным излучением.

2. Наиболее существенной статьёй баланса надо считать тепло, затрагиваемое на испарение и транспирацию (т. е. на суммарное испарение) и приобретаемое при конденсации водяных паров. Этот поток тепла обозначим через Qт.

3. Между поверхностью почвы и глубокими слоями происходит непрерывный теплообмен. Поток тепла (Qп), который может иметь направление от поверхности вглубь и обратно, называется теплообменом в почве. Для теплообмена в почве большое значение имеют тепловые характеристики, которые были рассмотрены выше.

4. Теплообмен между поверхности почвы и воздухом осуществляется благодаря турбулентной теплопроводности и возникает при турбулентном перемешивании приземного воздуха. Поток тепла, связанный с указанным механизмом теплопередачи, называется турбулентным потоком тепла Qк.

Таким образом, тепловой баланс как алгебраическая сумма всех указанных потоков должен по закону сохранения энергии удовлетворять условию

Q= Qк + Qт + Qп = 0,

Которое называется уравнением теплового баланса деятельности поверхности.

Кроме этих постоянно действующих статей теплового баланса, существуют временно действующие, они могут изменять температуру поверхности, например вода осадков может иметь температуру, отличающуюся от температуры почвы.

5. Методы регулирования теплового режима почвы

Количество тепла, поступающего на земную поверхность от Солнца зависит от географической широты территории, высоты над уровнем моря, характером и экспозиции поверхности. Зависит тепловой режим почвы и от ряда других факторов, таких как облачности, влажности почвы, скорости ветра и других. Изменяется температурный режим в течение суток и течение года.

Для сельскохозяйственных растений тепловой режим почвы складывается далеко не всегда благоприятно, поэтому земледельцу приходится к нему приспосабливаться, а иногда и изменять в нужном направлении. Основные направления действий в этом плане следующие.

1. Рациональное использование различных участков местности. Известно, что южные склоны прогреваются сильнее, чем северные.

2. Подбор растений, сортов и гибридов наиболее отвергающих тепловому режиму почвы данной данной местности или отдельным её участкам. Соблюдение соответствующих сроков сева и глубины заделки семян.

3. Мульчирование почвы. Простейшим и все более широко применяемым воздействием является оставление стерни при осенней и весенней обработках почвы. Прямое значение приёма состоит в накоплении снега и защите почвы от ветровой эрозии. Однако накопление ровного и достаточно мощного слоя снега приводит к снижению глубины промерзания почвы зимой, более раннему оттаиванию её весной, лучшему накоплению влаги и к известному регулированию гидротермического режима в почве весной и летом.

К мульчированию относится и покрытие почвы различными мульчирующими материалами. Наибольший интерес представляет использование в этих целях тонких плёнок из полимеров и пластмасс. По мнению И. Б. Ревута (1972) лучше использовать прозрачные плёнки. Они хорошо пропускают видимую часть солнечного спектра, а также почти всю ближнюю инфракрасную радиацию. В энергетическом отношении это преобладающая часть всей энергии, поступающей от солнца. Теряет же почва тепло ночью только путём длинноволновой инфракрасной радиации, которую плёнка плохо пропускает. Поэтому расход тепла из почвы с плёночным укрытием идёт весьма медленно. Казалось, чёрная плёнка должна способствовать более сильному прогреванию почвы, чем прозрачная. Фактически же под чёрной плёнкой почва останется более холодной, чем под прозрачной, так как чёрная плёнка не пропускает коротковолновую радиацию, а нагрев самой плёнки, отдельной от поверхности почвы воздушным зазором, существенно не сказывается на её нагреве.

4. Гребневые посевы и посадки сельскохозяйственных культур. На переувлажнённых холодных почвах практикуют гребневые посадки картофеля и некоторых других культур. Гребни быстрее просыхают и сильнее прогреваются.

5. Притенение поверхности почвы. Этот приём основан на защите поверхности почвы от обогрева прямыми солнечными лучами. Особенно часто прибегают ко всякого рода притенениям для защиты слабых всходов или свежевысаженной рассады от палящего действия солнечных лучей в овощеводстве. Для этих целей применяют щиты различных конструкций, поставленных наклонно к поверхности почвы.

6. Использование приёмов обработки почвы. При обработке почвы изменяется соотношение в единице объема твёрдой, жидкой и газообразной фаз, которые имеют разную теплоёмкость и теплопроводность. При рыхлении почвы увеличивается содержание в ней воздуха, поэтому для нагревания рыхлого слоя требуется меньше тепла и он лучше прогревается.

Но так как рыхлый слой имеет меньшую теплопроводность, то нижележащие слои под ним будут медленнее прогреваться. Более плотная почва после прикатывания медленнее чем рыхлая нагревается, но лучше проводит тепло в нижележащие слоя.

7. Дренирование почвы способствует её более быстрому прогреванию. Это объясняется более низкой теплоёмкостью почвы после удаления из неё воды.

8. Для защиты озимых культур от вымерзания большое значение имеет снегозадержание. Снег имеет низкую теплопроводность, поэтому температура почвы под снегом снижается меньше. Если снег выпал на замёрзшую почву и есть опасность выпревания озимых, его следует уплотнить для повышения тепловодности и усилия промерзания почвы.

 

Метки: