UniversityAgro.ru » Земледелие » Тепловой режим почв

Тепловой режим почв

Тепловой режим почв — совокупность процессов поступления и отдачи тепла почвой, его распространения и влияния на растения.

Относится к космическим факторам жизни растений. Основным источником тепла на Земле является лучистая энергия Солнца, преобразующаяся в тепло. К источникам тепловой энергия также относятся: тепло, передаваемое атмосферным воздухом, разложение органического вещества почвы, внутреннее тепло планеты, радиоактивные процессы почвы. Последние два источника тепла пренебрежимо малы. Доля тепла, получаемая от атмосферного воздуха также незначительна, хотя иногда оказывает некоторое влияние, например, при перемещении теплых воздушных масс.

Как правило, выделение тепла микроорганизма не оказывает заметного влияния на тепловой режим. Однако, при разложении «концентрированных» органических веществ, например, навоза, за счет микробиологической деятельности температура может повышаться до 40-60 °С. На этом принципе основаны так называемые «теплые грядки».

Роль тепла в жизни растений

Тепловая энергия является фактором протекания физиологических и биохимических процессов в растениях. При низких температурах некоторые процессы сильно затормаживаются, а в других случаях — не начинаются.

Потребность растений в тепле различна. Отличия проявляются не только у разных видов, но и у одной и той же культуры в разные фазы развития.

В зависимости от физиологической реакции растений различают:

  1. минимальную температуру — температура, ниже которой физиологические процессы не происходят;
  2. оптимальную температуру — температура, при которой рост и развитие растения протекают наиболее быстро;
  3. максимальную температуру — температура, выше которых растения резко снижают продуктивность, вплоть до гибели.

Каждая фаза роста и развития характеризуется своими минимальными, оптимальными и максимальными температурами.

Повышение температуры почвы прямо влияет на скорость роста растений. Например, семена ржи прорастают при температуре 4-5 °С в течение 4-х дней, при 16 °С — за сутки. Данное свойства должно учитываться при выборе сроков посева таким образом, чтобы не допустить посев в холодную почву, в которой семена будут долго лежать, не прорастая, с вероятностью загнивания.

Корневая система также реагирует на температуру почвы. Её рост протекает более энергично при относительно невысокой температуре. Так, корневая система овса при температуре почвы 12-14 °С была в 1,5 раза меньше, чем при 6-8 °С. Наибольшая масса клубней картофеля формируется при температуре не более 15-20 °С.

Для хорошего роста корней температура почвы должна быть немного ниже температуры воздуха надземной части растения. Для конопли при появлении всходов минимальная температура почвы равна 2-3 °С, для яровых зерновых и гороха — 4-5 °С.

Таблица. Требования полевых культур к теплу1

Культура
Биологический минимум температуры, °С
Заморозки, повреждающие всходы, °С
Оптимальная температура роста, °С
прорастание семян
появления всходов
формирования генеративных органов и цветения
Горчица, рапс
0...+1
+2...+3
+8...+10
-6...-8
+15...+22
Рожь, пшеница, ячмень, овес, горох
+1...+2
+4...+5
+8...+10
-7...-9
+15...+22
Лен-долгунец
+3...+4
+5...+6
+10...+12
-5...-7
+16...+18
Подсолнечник
+3...+4
+6...+8
+12...+15
-5...-6
+20...+24
Картофель
+7...+8
+8...+10
+11...+14
-2...-3
+20...+22 (ботва)
+16...+18 (клубни)
Горох
+1...+3
+4...+5
+10...+15
-7...-8
+16...+20
Кукуруза
+8...+10
+10...+12
+12...+15
-2...-3
+20...+24
Сахарная свекла
+3...+4
+6...+7
+12...+15
-4...-6
+18...+22

Формирование репродуктивных органов происходит при минимальных температурах: у конопли, яровых зерновых и гороха — 10-12 °С, гречихи, подсолнечника, кукурузы, проса — 12-15 °С, риса, хлопчатника — 13-20 °С. Во время плодоношения для большинства культур достаточна температура 10-12 °С, для риса и хлопчатника 15-20 °С.

Для большинства культур оптимальная температура составляет 20-25 °С. При температуре выше 30 °С наблюдается торможение развития. Превышение оптимальных температур приводит к резкому увеличению интенсивности дыхания и расходу органического вещества, что сказывается сокращении нарастания зеленой массы. Температуры выше 50-52 °С приводят к гибели растений.

Высокая температура в летний период способна наносить большой ущерб продуктивности, особенно при недостатке воды. Гибель растений от засухи наблюдается не только в южных районах, но и в северных, например, в посевах клевера или ускоренного высыхания («захвата») гречихи от высоких температур воздуха.

Пониженные температуры лучше всего переносятся растениями в фазе наклюнувшихся семян. В дальнейшем устойчивость к холоду резко снижается. Весенние заморозки могут сильно повреждать проростки. Опасны также и осенний заморозки, повреждающие растения томата, картофеля, огурца, не вызревают просо, гречиха, на востоке страны — яровая пшеница поздних сроков сева. Поэтому для правильного подбора культур следует учитывать продолжительность вегетационного периода, сопоставляя его с безморозным периодом, и суммой активных температур для конкретной зоны.

Таблица. Минимальные и оптимальные температуры почвы, необходимые для прорастания семян и появления всходов, °С.2

Культура
Прорастания семян
Появление всходов
минимальные температуры
оптимальные температуры
минимальные температуры
оптимальные температуры
Клевер, люцерна, конопля
0...+1
-
+2...+3
-
Рожь, пшеница, ячмень, овес, горох, вика, чина, тимофеевка
+1...+2
+25...+30
+4...+5
+6...+12
Свекла, гречиха, бобы, лен, люпин, нут
+3...+4
+25...+30
+6...+7
-
Картофель, подсолнечник
+5...+6
+31...+37
+8...+9
-
Кукуруза, просо, суданская трава, соя, кориандр
+8...+10
+37...+45
+10...+11
+15...+18
Фасоль, сорго, клещевина
+10...+12
-
+12...+13
-
Хлопчатник, рис, кунжут, арахис
+12...+14
+37...+45
+14...+15
+18...+22

Каждое растений за цикл вегетации требует определенное количество тепла, для оценки которого в земледелии принято использовать сумму активных температур.

Сумма активных температур — сумма суточных температур, выше 10 °С за вегетационный период.

Для большинства сельскохозяйственных культур она находится в интервале 1200-2000 ºС. Прорастание семян также активируется при достижении определенной величины суммы активных температур.

Тепло необходимо для нормальной жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и биоты. Также, как и для растений, на них отрицательно воздействуют пониженные температуры, приводящие к замедлению процессов, так и повышенные. Оптимальной температурой является 15-20 °С с небольшими колебаниями, особенно на высокогумусных оструктуренных почвах.

Растения характеризуются холодо- и морозостойкостью, прежде всего умеренной зоны, тогда как в жарких районах — жаростойкостью, например, такие теплолюбивые растения, как сорго, клещевина, рис, хлопчатник.

Таблица. Потребность сельскохозяйственных растений в тепле за вегетационный период3 4

Культура
Сумма активных температур, °С
Яровая пшеница
1200-1700
(по другим данным 1100-1900)
Озимая пшеница
1150-2000
Ячмень
950-1450
(по другим данным 950-1700)
Овес
1000-1600
(по другим данным 1000-1800)
Просо
1400-1750
Кукуруза на зерно
2100-2900
(по другим данным 2000-3000)
Кукуруза на силос
1800-2400
(по другим данным 1800-2500)
Картофель
1600
(по другим данным 1200-2000)
Сахарная свекла
2000
Лен-долгунец
1500
(по другим данным 1300-1700)
Горох
1000-1700
Подсолнечник
1600-2400
Многолетние травы
900

Тепловые свойства почвы

Теплопоглотительная способность

Теплопоглотительная способность почвы — свойство почвы поглощать солнечную энергию за счет преобразования световой энергии в тепловую. Параллельно с поглощением происходит частичное отражение света от поверхности почвы.

Соотношение доли поглощенной энергии и отраженной характеризуется показателем альбедо, определяется законом Кирхгофа и меняется в зависимости от черноты почвы: чем темнее почва, тем больше преобразуется света в тепло.

Альбедо орошаемых земель на 5-11% ниже, чем сухих. Альбедо для чистого сухого снега составляет 88-91%, мокрого — 70-82%.

Косвенными факторами, влияющими на альбедо, являются: структура, влажность и выровненность поверхности, особенности растений (цвет листьев и стеблей).

Высокогумусированные почвы (черноземы) поглощают на 10-15% больше световой энергии, чем малогумусированные, также, как и глинистые по отношению к песчаным.

Теплоемкость

Теплоемкость почвы — способность почв накапливать тепловую энергию.

Выделяют весовую и объемную теплоемкости.

Весовая теплоемкость почвы — количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг почвы на 1 °С. Выражается в Дж/(кг⋅ºС). Иногда вместо килограмма используют граммы.

Объемная теплоемкость почвы — количество тепла, необходимое для нагревания 1 м3 почвы на 1 °С. Выражается в Дж/(м3⋅°С). Иногда вместо м3 используют см3 или дм3 (литры).

Весовая Cm и объемная CV теплоемкость связаны между собой соотношением:

ρCm = CV,

где ρ — плотность почвы.

Теплоемкость почвы зависит от минералогического и гранулометрического состава, влажности, содержания органического вещества. Например, кварцевый песок имеет весовую теплоемкость меньше, чем торф. 

Весовая теплоемкость воды равна 4187 Дж/(кг⋅°С), песка —  821 Дж/(кг⋅°С), глины — 976 Дж/(кг⋅°С), торфа — 1997 Дж/(кг⋅°С), воздуха — 1,3 Дж/(кг⋅°С). 

Влажность увеличивает теплоемкость почвы, поэтому глинистые почвы, отличающиеся большой влагоемкостью, медленно прогреваются весной, но и больше сохраняют тепло в ночное время и при заморозках. Их также называют холодными. Легкие почвы — песчаные и супеси, наоборот, прогреваются быстрее и называются теплыми. Вода может изменять теплоемкость почвы в 10-15 раз.

Гумусированные, как и рыхлые почвы также отличается большей теплоемкостью.

Теплопроводность

Теплопроводность почвы — способность почвы проводить тепло, или количество тепла, проходящее за единицу времени через единицу длины (площади, объема) при разнице температур в 1 °С. Выражается в Вт/(м⋅°С).

Теплопроводность почвы зависит химический и гранулометрический состав, влажность, содержание воздуха, температура и плотность почвы. 

Сухие почвы, а также богатые гумусом и высокоаэрируемые, очень плохо проводят тепло.

Твердая фазы почвы примерно в 100 раз лучше проводит тепло, чем воздух. Поэтому плотная почва более теплопроводна, чем рыхлая. Увеличение плотности с 1,1 до 1,6 г/см3 приводит к увеличению теплопроводности в 6 раз.

Влажность почвы также увеличивает теплопроводность: изменение влажности с 0,1 до 25-30% приводит к росту теплопроводности в 5 раз.

Для оценки скорости выравнивания температуры между горизонтами почвы применяют температуропроводность.

Температуропроводность — изменение температуры в 1 см3 почвы в результате поступления в нее определенного количества тепла, передающегося за единицу времени через единицу площади.

Теплоотдача

Теплоотдача — способность почвы отдавать тепло. Теплоотдача может происходить посредством теплового излучения и конвекции. 

Теплоиспускающая способность почвы — способность почвы отдавать тепловую энергию посредством теплового излучения.

Она зависит от состояния почвы и поверхности, степени ее увлажнения, а также от теплопроводности. Минеральные почвы из-за большей теплопроводности обладают большей теплоиспускающей способностью, чем торфянистые.

Увлажненные почвы и почвы с гладкой поверхностью также имеют большую теплоиспускающую способность, чем сухие и с шероховатой поверхностью.

Теплоотдача за счет конвекции зависит от насыщенности атмосферы водяными парами, температуры почвы и состояния поверхности.

Закономерности теплового режима

Количество поступающей на поверхность почвы световой энергии характеризуется суточной и годовой периодичностью. Так как световая энергия преобразуется в тепловую, то изменение температуры поверхности имеет аналогичную закономерность.

В суточном цикле температура поверхность почвы поднимается с восхода солнца до 14 ч, после 14 ч она начинает снижаться. В годовом цикле она возрастает с марта до июля, а затем охлаждается. Суточные температурные колебания, как правило, не распространяются глубже 1 м, годовые — глубже 5 м.

Температурные колебания играют важную роль для зимующих культур, так как глубокое и быстрое промерзание приводит к снижению устойчивость к низкой температуре.

Снеговой покров оказывает существенное влияние на температурный режим почвы. Так как снег имеет низкую теплопроводность, отдача тепла от почвы в атмосферу в зимний период заметно снижается. Например, при толщине снега 24 см температура на его поверхности была -26,8 °С, тогда как под снегом на поверхности почвы -13,8 °С.

Водный раствор, находящаяся в почве, вследствие содержания большого количества минеральных веществ, имеет температуру замерзания значительно ниже воды — до -10 °С.

Приток световой энергии Солнца зависит от широты местности, погодных условий, времени суток, тумана, запыленности атмосферы и т.д.

Тепловой режим зависит от рельефа местности. Крутизна и экспозиция склонов определяют разницу в количестве тепла, поступающего от солнечной энергии. Почвы южных, юго-западных и юго-восточных склонов прогреваются лучше, чем северных, северо-западных и северо-восточных, а также выровненных участках.

Типы тепловых режимов

Промерзание почв, покрытых растительностью (озимыми, травами, леса и т.п.), значительно меньше, чем непокрытых (без растительности, мульчи и т.п.). В различных почвенно-климатических зонах складываются разные тепловые режимы почв. В зависимости от величины среднегодовой температуры и характера промерзания выделяют 4 типа теплового режима: мерзлотный, длительно-сезонно-промерзающий, сезонно-промерзающий, непромерзающий.

Мерзлотный тип

Мерзлотный тип теплового режима характерен для зон вечной мерзлоты. В теплый период почва протаивает, а в холодный — промерзает до верхней границы мерзлотного грунта. Среднегодовая температура почвы и температура на глубине 0,2 м в самом холодном месяце отрицательные.

Длительно-сезонно-промерзающий тип

Длительно-сезонно-промерзающий тип теплового режима характеризуется оттаивание почвы в теплый период, с последующим глубоким промерзанием в холодный. Длительность промерзания составляет не менее 5 месяцев на глубину более 1 метра. Среднегодовая температура почвы положительная, но температура на глубине 0,2 м в самый холодный месяц отрицательная.

Сезонно-промерзающий тип

Сезонно-промерзающий тип теплового режима характеризуется оттаиванием в теплый период и неглубоким промерзанием в холодный. Отрицательные температуры проникают на глубину не более 2 м. Длительность промерзания составляет от нескольких дней до 5 месяцев. Среднегодовая температура почвы положительная, температура на глубине 0,2 м в самый холодный месяц отрицательная.

Непромерзающий тип

Непромерзающий тип теплового режима характеризуется отсутствием промерзания. Температуры почвы положительные, отрицательные могут быть нескольких дней. Температура на глубине 0,2 м всегда положительная.

Регулирование теплового режима

Оптимальная температура почвы для прорастания семян ячменя составляет 20 °С, овса, пшеницы, ржи — 25 °С, табака — 28 °С, кукурузы и сорго — 32-35 °С, огурца и тыквы — 33-35 °С. Для большинства культур при достаточном освещении и обеспечении водой оптимальная температура воздуха составляет от 15 до 30 °С.

Приемы регулирования теплового режима в силу больших различий в условиях ведения сельского хозяйства нашей страны могут сильно отличаться и быть противоположными. Например, в южных районах применяют меры для снижения поступления теплоты, тогда, как в северных районах — меры для её накопления и сохранения.

В практике земледелия можно выделить три типа приемов регулирования теплового режима почв:

  • агротехнический;
  • агромелиоративный;
  • агрометеорологический.

Агротехнические приемы

Агротехнические приемы регулирования теплового режима включают способы обработки почвы: глубокое рыхление, гребневание, прикатывание, оставление стерни, мульчирование, внесение органических удобрений.

Большие дозы органических удобрений, благодаря тепловыделению от активных микробиологических процессов, создают дополнительный источник тепла в почве.

Гребнистая поверхность за счет увеличения площади поверхности, поглощает большее количество тепловой энергии, аккумулирует больше тепла и быстрее прогревается. Температура гребней на 3-5 °С выше по сравнению с выровненной поверхностью, что особенно важно в северных районах.

Глубокая вспашка создает резкую неоднородность почвы по профилю, изменяя плотность, влажность и пористость. При этом изменяются тепловые свойства почвы.

Уплотнение почвы увеличивает её теплопроводность, в следствии чего прикатывание используют для повышения среднесуточной температуры на 3-5 °С в пахотном слое глубиной до 10 см.

Мульчирование — прием позволяющий как накапливать тепло, так и сократить его поступления. Для накопления применяют материалы темного цвета, например полиэтиленовые черные пленки, которые уменьшают альбедо (отражения световой энергии) на 10-15%. Аналогичный эффект дают прозрачные пленки, почти не меняя альбедо, они накапливают тепло за счет парникового эффекта. Пленки светлого цвета, наоборот позволяют уменьшить накопление тепла, увеличивая альбедо.

Затенение может быть использовано для уменьшения поступления световой энергии на поверхность почвы.

Агромелиоративные приемы

Агромелиоративные приемы регулирования теплового режима почвы включают борьбу с засухой, лесонасаждение, орошение, осушение.

Лесные полосы, помимо ряда других преимуществ, позволяют регулировать тепловой режим за счет снегонакопления и изменения микроклимата местности, снижают скорость ветра на 20-40% в межполосных местах по сравнению с открытыми пространствами.

Орошение можно использовать, как для накопления тепла, так и для его уменьшения. Почвы после полива снижают долю отраженной радиации на 20%, уменьшается теплоизлучающая способность, что увеличивает накопление тепла. Высокая влажность почвы способствует теплопередаче почвы, что улучшает её прогревание и снижает температурные колебания.

В тоже время увеличение влажности почвы приводит к снижению температуры в результате больших затрат тепла на прогревание (так как увеличивается теплоемкость почвы) и испарение воды.

В южных районах строительство водоемов, прудов и лиманов позволяет увеличить влажность почвы и воздуха, что снижает испарение и нагревание почвы.

Агрометеорологические приемы

Агрометеорологические приемы регулирования теплового режима почв направлены на борьбу с заморозками, снижение теплоиспускающей способности почвы и т.п.

Борьбу с заморозками проводят созданием дымовых завес, «прикрывают» посевы дымом.

[INSERT_ELEMENTOR id="2859"]

Литература

Земледелие. Учебник для вузов/Г.И. Баздырев, В.Г. Лошаков, А.И. Пупонин и др. — М.: Издательство «Колос», 2000. — 551 с.

Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. Под ред. В.С. Никляева. — М.: «Былина», 2000. — 555 с.

Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.

Ссылки

  1. Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. Под ред. В.С. Никляева. - М.: "Былина", 2000. - 555 с.
  2. Земледелие. Учебник для вузов/Г.И. Баздырев, В.Г. Лошаков, А.И. Пупонин и др. — М.: Издательство «Колос», 2000. — 551 с.
  3. Земледелие. Учебник для вузов/Г.И. Баздырев, В.Г. Лошаков, А.И. Пупонин и др. — М.: Издательство «Колос», 2000. — 551 с.
  4. Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. Под ред. В.С. Никляева. - М.: "Былина", 2000. - 555 с.