ПОЧВОВЕДЕНИЕ. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ

 

 

Роль температуры в почвенных процессах. Поступление теплоты в почву. Тепловая характеристика почвы. Тепловой баланс почвы

 

 

Роль температуры в почвенных процессах.

 

Поступление теплоты в почву.

 

Тепловая характеристика почвы.

 

Тепловой баланс почвы

 

 

Колебания температуры — важный компонент почвенного микроклимата. Следуя годичным циклам изменения температуры воздуха, температура почвы оказывает существенное влияние на многие протекающие в ней процессы. С тепловым режимом почв тесно связаны начало и конец вегетационного периода, пространственное размещение растений, характер распространения корневых систем, скорость поступления к корням питательных элементов. Температура почвы влияет на скорость поступления воды в корни растений, на транспирацию, на продуктивность растительности.

 

Температурный режим почв регулирует численность микроорганизмов и их активность, минеральные преобразования и процессы разложения органических остатков и трансформации почвенного гумуса. Температура почв контролирует фазовые переходы в системе почва — почвенный раствор — почвенный воздух, процессы растворения солей и газов, скорость выветривания минералов. Образование цементационных структур в тропиках под влиянием избыточного перегрева и фрагментарных структур в северных широтах (под действием переохлаждения) также обусловлены особенностями температурного режима почв. Таким образом, исследования тепловых свойств почв и особенностей годовой динамики их температур необходимы при детальных исследованиях всех процессов, протекающих в почвах, при количественных расчетах соле-, водо- и газопереносов.

 

 

Поступление теплоты в почву

 

Тепловая энергия в почве имеет несколько источников: 1) лучистая энергия солнца; 2) атмосферная радиация; 3) внутренняя теплота земного шара; 4) энергия биохимических процессов разложения органических остатков; 5) радиоактивный распад. Вклад двух последних источников ничтожно мал и обычно не принимается во внимание в балансовых расчетах. Внутренняя теплота земного шара также незначительна [4,19* 10"4 Дж/(см2 • мин)]. Вклад этого источника в тепловой поток велик лишь в районах активной вулканической деятельности. Атмосферная радиация приобретает существенное значение в балансе теплоты в районах с неустойчивой атмосферной деятельностью, в периоды вторжения теплых или холодных воздушных масс. Таким образом, главным источником теплоты в почве является лучистая энергия солнца.

Среднее количество теплоты, поступающей к верхней границе атмосферы Земли от Солнца (солнечная постоянная), равно 8,296 Дж/(см2 • мин). Приход теплоты к земной поверхности меньше вследствие рассеивания ее в атмосфере Кроме того, реальное количество поступающей в почву солнечной тепловой энергии существенным образом коррелируется географической широтой, временем года, состоянием атмосферы, экспозицией склонов, т. е. углом падения солнечных лучей на поверхность, характером растительного покрова, а также тепловыми свойствами самой почвы

 

Тепловая характеристика почвы

 

Совокупность свойств, обусловливающих способность почв поглощать и перемещать в своей толще тепловую энергию, называется тепловыми свойствами. К ним относятся: теплопоглоти- тельная (теплоотражательная) способность почв, теплоемкость, теплопроводность, теплоусвояемость.

 

Теплопоглотителъная (отражательная) способность почв, или способность почв поглощать (отражать) определенную долю падающей на ее поверхность солнечной радиации, характеризуется значением альбедо (А) — долей коротковолновой солнечной радиации, отражаемой их поверхностью (ботр), выраженной в процентах от общей солнечной радиации (Qo5m)

Альбедо зависит от очень многих свойств почв — их цвета, количества и качественного состава органического вещества, гранулометрического состава, оструктуренности, состояния поверхности, влажности. Диапазон отражения лучистой энергии поверхностью почв колеблется от 8—10 до 30% (). Естественное варьирование величины альбедо в ландшафтах усиливается характером растительного и снежного покрова. Тепло- поглотительная способность почв одного и того же региона обусловливает разделение почв на холодные и теплые: темноцветные почвы более теплые, чем светлые; оструктуренные почвы с шероховатой поверхностью более теплые, чем бесструктурные.

 

Различают три вида теплоемкости почв — удельную, объемную и эффективную.

 

Удельная теплоемкость почвы (С) характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагревания или выделяемым при охлаждении единицы массы (1 г) абсолютно сухой почвы на 1°С в интервале температур от 14,5 до 15,5°С.

 

Объемная теплоемкость почвы (Cv) численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания или выделяемого при охлаждении единицы объема (1 см3) сухой почвы на 1° в том же интервале температур. Пересчет удельной теплоемкости в объемную необходим при исследовании процессов поступления и перераспределения тепловой энергии в пределах почвенного профиля. Так как сложение почв в целом и различных генетических горизонтов разное, то и соотношение между С и С существенно изменяется. В рыхлых, хорошо оструктуренных почвах удельная теплоемкость выше объемной; в плотных, слитых почвах Cv значительно больше С.

 

Удельная и объемная теплоемкости характеризуют физические свойства почв в стандартных, жестко ограниченных состояниях и определяются минералогическим и гранулометрическим составом почв, содержанием органического вещества, характером их сложения и оструктуренности. Ниже приведена теплоемкость некоторых типов почв и их основных составляющих частей

 

Теплоемкость почвы, характеризующаяся суммарным количеством теплоты, идущим на изменение температуры единицы массы почвы и фазовые превращения (испарение и конденсация влаги, кристаллизация и таяние льда, сорбция и десорбция газов, т. е. процессы, сопровождающиеся выделением или поглощением теплоты), называется эффективной теплоемкостью.

 

По характеру теплоемкости почв их можно подразделить на почвы холодные и теплые. Глинистые почвы более теплоемки, нагреваются медленнее и считаются холодными, песчаные — теплыми. Почвы, богатые органикой, более теплоемки и холоднее минеральных. Хорошо оструктуренные почвы с высоким содержанием почвенного воздуха холоднее слитых. Влажные почвы более теплоемки и холоднее, чем сухие.

 

Теплота, поступающая на поверхность почв, под действием создаваемого градиента температур перераспределяется в почвенном профиле. Процесс переноса теплоты называется теплообменом, а свойство почв передавать энергию путем теплового взаимодействия соприкасающихся между собой твердых, жидких и газообразных частиц называется теплопроводностью.

 

Теплопроводность почв оценивается коэффициентом теплопроводности, который является эмпирическом величинои, характерной для каждой почвенной разности и каждого генетического горизонта. Так как теплопроводность составных частей почвы колеблется в широких пределах, коэффициент теплопроводности их является интегральной, динамичной величиной. Ниже приведен коэффициент теплопроводности некоторых составных частей почв, Дж/(см • с • град):

Вещество Теплопровод- Вещество            Теплопроводность   ность Воздух .... 0,000210    Кварц ....        0,00984 Торф. .0,001107      Базальт ....     0,02132 Вода. .0,005866         Гранит ....      0,03362 Лсд. .0,020950

 

Наименьшую теплопроводность имеет почвенный воздух, наибольшую — минеральные частицы. Компактные, плотные почвы имеют большую теплопроводность, чем рыхлые, хорошо оструктуренные. Накопление значительного количества органического вещества в поверхностных горизонтах препятствует передвижению теплоты, поэтому сильно заторфованные почвы северных широт способствуют подъему уровня вечной мерзлоты и продвижению ее в более южные широты. В то же время некоторые мероприятия, направленные на регулирование температурного режима почв (снегозадержание, мульчирование), снижают теплопроводность и предохраняют посевы от вымерзания.

 

Рост теплопроводности с увлажнением почв особенно заметен в диапазоне низкого влагосодержания. В дальнейшем, по мере увеличения содержания воды, нарастание \ снижается и в диапазоне влажности, соответствующей общей влагоемкости, изменяется мало. Этот факт очень важен для создания оптимального температурного режима, так как сухие поверхностные слои почв южных территорий страны (температура поверхности южных черноземов летом в полуденные часы достигает 40—50°С, а поверхность песков в Каракумах — 70—80°С) являются своеобразным экраном, предохраняющим внутренние слои почвы от перегрева.

 

Интенсивность изменения температуры почв характеризуется коэффициентом температуропроводности, частным от деления коэффициента теплопроводности на объемную теплоемкость

 

Коэффициент температуропроводности представляет собой изменение температуры 1 см3 почвы, вызванное поступлением в него некоторого количества теплоты, протекающего за 1 с через поперечное сечение 1 см2 при градиенте температур 1°/1 см, и выражается в см2/с.

 

Температуропроводность зависит от структуры и сложения почв и определяет глубину суточных и годовых колебаний температуры в них.

 

Тепловой баланс почвы

 

В почве постоянно существуют градиенты температур, поэтому всегда идет теплообмен как с атмосферой, так и с нижележащими слоями. Летом и днем температурный поток направлен в глубь почвенного профиля, осуществляется нагревание почв; зимой и ночью — к поверхности — охлаждение. Совокупность всех видов поступления и расхода теплоты в почвах в их количественном выражении за определенный промежуток времени записывается в форме уравнения теплового баланса. В общем виде это уравнение выглядит так:

А = В + F,       (65)

где А — теплообмен почвы с деятельной поверхностью по вертикали; F — теплообмен с окружающим пространством по горизонтали; В — алгебраическая сумма изменения теплосодержания за данный период времени и затрат теплоты на фазовые переходы.

 

Так как для среднего многолетнего периода приход и расход теплоты в почве равны между собой, a F можно пренебречь, то А = В.

 

Тепловой баланс собственно почв можно рассчитывать лишь на полях, не занятых растительностью. На естественных ценозах и полях, занятых сельскохозяйственными культурами, определяют тепловой баланс деятельной поверхности, под которой понимается поверхность, где происходит трансформация лучистой энергии солнца.

 

Баланс считается положительным, если он характеризует приход теплоты к деятельной поверхности, при этом все остальные величины характеризуют расход теплоты. Радиационный баланс имеет суточный и годовой ход. Наибольшая часть поступающей в экосистему энергии расходуется на транспирацию и испарение воды из почвы ( 43). Кроме постоянно действующих статей теплового баланса существуют статьи, эпизодически действующие. Например, температура осадков или поливных вод отличается от температуры поверхности почв и вносит коррективы в балансовые расчеты. Так же изменяют характер распределения элементов теплового баланса фазовые переходы (испарение, замерзание воды, растворение, дегазация и сорбция газов).

 

В вегетационном цикле изменения элементов теплового баланса максимальная доля энергии приходится на поток теплоты в почву (А) и на затраты на эвапотранспирацию (LE).

 

 

К содержанию: Ковда, Розанов: Почвообразование

 

Смотрите также:

 

Химия почвы    Грунтоведение