Теплофизические свойства и гидротермические режимы серых лесных почв обь-чумышского междуречья сизов евгений геннадьевич

Введение

Энергетический и термодинамический подход при изучении природных процессов, в том числе почвообразования, получает в последнее время все большее распространение, ведь, как отмечает С. П. Позняк «Почва как самостоятельное природное тело является определенной термодинамической системой «. Энергетические характеристики гумуса его количественные и качественные характеристики определяют почти все агрономически ценные свойства почвы. Многочисленные исследования, проведенные в последние годы, свидетельствуют об общепланетарном значении гумуса, как колоссального геохимического аккумулятора, главного хранителя Солнечной энергии на земном шаре. Гумусовая оболочка — «гумусосфера», по данным В. А. Ковды, содержит n * 1020 ккал энергии.

Актуальность данного направления исследований состоит в возможности использования представлений об энергии, заключенной в гумусе почв, о термодинамических свойствах почв и субстратов, в частности энергии кристаллической решетки минералов, свободной энергии Гиббса и энтропии для оценки потенциальной способности горных пород к почвообразованию. Такие работы связаны как с необходимостью разработки конкретных мер по стабилизации и усилению процессов формирования молодых почв на отвалах месторождений, так и с конкретными практическими задачами сохранения и восстановления плодородия почв, «отброшенных» по возрастной шкале формирования назад, т. е. нарушенных, смытых, дефлированных почв. Вопросы изучения энергетики процесса почвообразования получили распространение и при изучении балансовых расчетов соотношения затрат энергии на процессы гумификации растительной массы и формирования почвенного гумуса. Расчеты энергии в гумусе используются как критерий для бонитировки почв и установления энергетической цены грунта. Но, несмотря на это энергетическая и термодинамическая составляющая процесса гумусообразования и энергетика гумуса в Украине изучены еще недостаточно, а на территории Крымского полуострова, такие работе вообще не проводились. Это и обусловило цель данной работы — изложить оценку энергетических и термодинамических характеристик разновозрастных почв и почвообразующих пород Крымского полуострова с точки зрения их влияния на современный почвообразующий процесс.

ВВЕДЕНИЕ

Функционирование как природной, так и антропогенно-измененной торфяной системы определяется,
прежде всего, ее гидротермическим режимом. Это положение считается справедливым и
для торфяных почв, в которых температурный фактор иногда оказывается лимитирующим
биологическую деятельность

В данном случае используется термин “гидротермический режим” на основе признаваемой
в физике почв тесной взаимосвязи водного и температурного режимов и важности для функционирования
биоты гидро- и теплофизических факторов . Отметим, что для минеральных почв выработаны научно обоснованные подходы, методы
анализа, прогноза и оптимизации режимов, а для торфяных почв такие методы весьма ограничены.
Сложность изучения гидротермического режима торфяных почв во многом связана с их специфическими
физическими свойствами: низкой плотностью, гидрофобностью в сухом состоянии, резким
набуханием, трудностями лабораторных экспериментов с ненарушенными образцами торфа
и др.

Но актуальность производственного использования торфоземов требует количественных
расчетов и прогнозов их теплового (температурного) режима. В частности, в производственных
условиях нередко возникает задача определения и краткосрочного предсказания температуры
почвы на конкретной глубине, когда для сельскохозяйственных культур надо знать температуру
на определенной глубине для уточнения сроков посева или посадки. Развитие количественной
наземной экологии предполагает реализовать возможности осуществления дифференцированного
подхода к оценке тепловых ресурсов различных участков исследуемого наземного массива
в зависимости от параметров почвенного покрова, в том числе от температуры подпочвенных
слоев. В этом случае оперативной информацией служит температура на некоторой (в зависимости
от корневой системы растений и ее развития) глубине. Проблема состоит в том, что температуру
поверхности почвы в настоящее время можно определить быстро и на значительной площади
с помощью средств дистанционного зондирования, однако необходима оценка температуры
по всему профилю торфяных почв, то есть значительно ниже поверхности. В этом случае
определение температуры на некоторой глубине (глубине посадки, обработки и др.) связано
с распространением тепловой волны от поверхности вглубь почвы, которое основано на
использовании теплофизических функций, в частности зависимости температуропроводности
от влажности торфозема . Возникают вопросы разработки методов оценки теплофизических свойств торфяных почв,
требуемых для такого рода расчетов, а также необходимо оценить возможные погрешности
некоторых распространенных для минеральных почв методов, возможные причины этих погрешностей,
способы их уменьшения.

Содержание

Введение……………………………………………………………………….4

1. Краткая история развития физики почв…………………………………..5

2. Источники тепла и трансформация солнечной энергии в почвах……… 8

2.1. Энергетический баланс непокрытой растительностью почвы………..8

2.1.1. Радиационный баланс………………………………………………….9

2.1.2. Тепловой баланс……………………………………………………….11

3. Перенос тепла в почве…………………………………………………….13

3.1. Теплоемкость почвы…………………………………………………….16

3.2. Теплопроводность почвы……………………………………………….19

3.3. Температуропроводность……………………………………………….23

4. Тепловой режим почвы……………………………………………………26

4.1. Суточные и годичные циклы изменения температуры в почве………26

4.2. Влияние природных факторов на тепловой режим……………………30

4.3. Типы теплового режима почвы…………………………………………33

4.4. Роль теплового режима в почвообразовании и плодородии почв……34

4.5. Методы регулирования теплового режима почвы…………………… 37

5. Методы изучения теплового режима почвы…………………………….43

5.1. Измерение температуры поверхности почвы………………………… 43

5.2. Измерение температуры по профилю почвы………………………….45

5.3. Методы определения теплофизических характеристик почвы……… 46

Заключение……………………………………………………………………48

Список литературы…………………………………………………………..49

Возможные источники тепла в почве

Основной источник поступления тепла в грунт – солнечное излучение, которое состоит из прямого и рассеянного. Интенсивность излучения зависит от широты и высоты местности, содержания углекислоты в атмосфере и ее прозрачности.

Поглощаемая энергия затем передается либо в атмосферу, либо в нижние слои. Куда будет направляться тепло, зависит от температуры почвы и воздуха. Если почва теплее, а воздух холоднее, тепло будет уходить в атмосферу. При большом поглощении тепла грунт нагревается, и тепловая энергия начинает поступать вниз. Скорость поступления тепла тем больше, чем больше разница температуры в верхних и нижних слоях.

Количество солнечной энергии, которая поступает в почву, зависит от климатической зоны, погоды, особенностей рельефа, окраски, ее тепловых и физических свойств, густоты растительности.

Еще есть источники тепла – энергия, выделяемая при разложении растительных остатков, находящихся на поверхности или в верхнем слое, и энергия, которая передается из воздуха.

Как определить

Сколько тепла находится в почве, зависит от многих факторов. Вода – теплоемкий компонент грунта, поэтому влажный прогревается дольше, чем сухой. Но и охлаждается она дольше. Дольше всего весной прогреваются глинистые влажные грунты, песчаные – быстрее, но осенью происходит наоборот: глинистые оказываются теплее из-за медленного охлаждения.

Теплопроводность зависит от содержания в порах воздуха. Чем рыхлее грунт, тем быстрее он прогревается, и наоборот, плотная почва нагревается медленнее. Количество гумуса также влияет на тепловые свойства, плодородные почвы длительнее удерживают тепло, бедные теряют его быстрее. Растительность летом, снег зимой удерживают тепло и помогают сохранить его в грунте.

Для большинства культурных растений выгодная температура для роста составляет 20-25 °С. Если она больше 30 °С – происходит торможение развития. Увеличение приемлемых температур приводит к сильному подъему интенсивности дыхания и трате органического вещества, что ведет к сокращению объема зеленой массы. Температуры грунта больше 50-52 °С ведет к гибели растений.

Для нормально роста растений необходим определенный объем тепла, в земледелии используют значение, называемое суммой активных температур. Это все дни вегетационного периода, когда температура в течение суток была выше 10 °С.

Почвенное тепло нужно не только растениям, но и микроорганизмам. На них отрицательно воздействуют холод и чрезмерное тепло; и то, и другое приводит к приостановке жизнедеятельности бактерий и биоты. Оптимальная температура – 15-20 °С, допустимы незначительные отклонения.

Список литературы

1. Алиев С. А. Методы определения биоэнергетических балансов органического вещества почв/ С. А. Алиев // Почвоведение, 1975, № 4. — С 27–32.
2. Бедернічек Т. Ю. Енергетична ціна антропогенної трансформації лісових екосистем на основі оцінки змін вмісту карбону органічних сполук в едафотопі./ Т.Ю Бедернічек // Наукові доповіді НАУ, 2008–3 (11), с. 11–16.
3. Волобуев В. Р. Опыт расчета энергии кристаллической решетки почвенных минералов / В. Р. Волобуев// Почвоведение — 1968. № 4. — С. 89 — 93.
4. Волобуев В. Р. Энергетика почвообразования// В. Р. Волобуев / Изв. АН СССР. — Сер. биолог.- 1959.- № 1.- С.45–54.
5. Дзенс-Литовская Н. Н. Почвы и растительность Степного Крыма./ Н. Н. Дзенс-Литовская. — Л.: Изд.-во «Наука» , 1970 — 152с.
6. Дорогокупец П. И. Термодинамика минералов и минеральных равновесий / П. И. Дорогокупец, И. К. Карпов — Новосибирск: Наука. 1984. — 184с.
7. Забалуєв В. О. Енергетичні і термодинамічні характеристики гірських порід як показника їх здатності до ґрунтоутворення / В. О. Забалуєв // Екологія і природокористування — 2003 — випуск 6 — С. 92 — 95.
8. Зуев В. В. Кристаллоэнергетика как основа оценки свойств твердотельных материалов/В. В. Зуев, Л. Н. Поцелуева, Ю. Д. Гончаров — Санкт Петербург — 2006 — 325с.
9. Искандеров И. Ш. Энергия кристаллической решетки и свободная энергия минеральной части почв/И. Ш. Искандеров // Почвоведение — 1974, — № 4 — С. 147 — 149.
10. Ковда В. А. Почвенный покров, его улучшение, использование и охрана./ В. А. Ковда — М.: Наука, 1981, 1981. — С. 5 — 15.
11. Козин В. К. Запас энергии в гумусе как критерий для бонитировки почв/ В. К. Козин // Почвоведение, 1990, № 3. — С. 153–155.
12. Кочкин М. А. Почвы, леса и климат Горного Крыма и пути их рационального использования / М. А. Кочкин//Никит.бот. сад. Научн. тр. Т. 38. М.: Колос, 1967. 260 с.
13. Лисецкий Ф. Н. Развитие почв Крымского полуострова в позднем голоцене / Ф. Н. Лисецкий, Е. И. Ергина // Почвоведение. 2010. № 6. С. 643–657.
14. Орлов О. Енергоємність гумусу як критерій гумусового стану ґрунтів / О. Орлов //Вісник Львівського Ун-ту. Серія біологічна.- 2002. Вип.31. С. 111–115.
15. Позняк С. П. Грунтознавство і географія ґрунтів: підручник. У 2 частинах. Ч.1 / С. П. Позняк. — Львів: ЛНУімені Івана Франка, 2010. — 270 с.
16. Половицкий И.Я., Гусев П. Г. Почвы Крыма и повышение их плодородия./ И. Я. Половицкий, П. Г. Гусев- Симферополь: Таврия,
17. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справочное издание в 4 т./Л.В., Гурвиц, И. В. Вейц, В.А Медведев и др. — М: Наука, 1082 — т. 4. Кн. 1 — 623 с.
18. Тюрин И. В. Органическое вещество почвы и его роль в плодородии./ И. В. Тюрин — М. 1937. — 231с.
19. Ферсман А. Е. Избранные труды /А.Е Ферсман — Изд. АН. СССР, т. IV, 1958. — 517с.
20. Cordova C. E. Holocene environmental change in southwestern Crimea (Ukraine) in pollen and soil records / Cordova C.E., Lehman P.H. // Journal of Archaeological Science. — 2003. — Vol. 10. — Р. 1483–1501.

Тепловые свойства почвы

Тепловое состояние почвы характеризуется показателями температуры ее генетических горизонтов.

Совокупность свойств, обусловливающих способность почв поглощать и перемещать в своей толще тепловую энергию, называются тепловыми свойствами.

К ним относятся: теплопоглотительная способность (теплопоглощение), теплоемкость и теплопроводность.

Теплопоглощение – способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца, характеризуется величиной альбедо. Альбедо – количество солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы по отношению к общей солнечной радиации, достигающей поверхности почвы, выраженное в %.

Чем меньше альбедо, тем больше поглощает почва солнечной радиации.

Альбедо зависит от:

• 1) цвета,
• 2) влажности,
• 3) структурного состояния,
• 4) содержания гумуса,
• 5) выровненности поверхности почвы,
• 6) растительного покрова.

Высокогумусированные почвы имеют темную окраску. Поэтому ими поглощается энергии на 10 – 15 % больше, чем светлоокрашенными. По сравнению с песчаными почвами глинистые имеют большую теплопоглотительную способностью.

Сухие почвы отражают лучистую энергию на 5 – 11 % больше, чем влажные, бесструктурные с гладкой поверхностью отражают лучи больше, чем оструктуренные с шероховатой поверхностью. Почвы участков, имеющих наклон к югу, поглощают солнечного тепла больше, чем почвы склонов, обращенных на север. Растительный покров, наоборот, уменьшает теплопоглощение.

Теплоемкость – это способность почвы вмещать в себя и удерживать то или иное количество тепла. Измеряется количеством тепла в калориях, необходимого для нагревания 1см3 или 1 г почвы на 1 °С, в связи с чем различают объемную и удельную теплоемкость почв (первая больше второй).

Составные части почвы имеют различную теплоемкость: удельная теплоемкость воды наивысшая – 1,0, гумуса – 0,477, глины – 0,233, кварца – 0,198 и наименьшая теплоемкость у почвенного воздуха.

Следовательно, теплоемкость почвы зависит от:

• ● минералогического состава;
• ● гранулометрического состава;
• ● пористости и содержания воды и воздуха;
• ● содержания органического вещества.

По характеру теплоемкости почвы делят на «теплые» и «холодные». Песчаные и супесчаные почвы менее влагоемки, поэтому быстрее прогреваются, их называют «теплыми» почвами. Весной такие почвы становятся пригодными для обработки на 2 – 3 недели раньше, чем почвы суглинистые.

Глинистые почвы содержат больше воды, на нагревание которой требуется много тепла, вследствие чего их называют «холодными». В случае одинакового механического состава влажная почва более теплоемкая и холодная, чем сухая; богатая органикой более теплоемка и холоднее минеральной. Самые холодные торфяные почвы, так как содержат много воды и состоят из органического вещества (оказывают влияние на климатические условия прилегающей местности).

Теплота, поступающая на поверхность почв, под действием градиента температур перераспределяется в почвенном профиле. Этот процесс называется теплообменом и зависит от теплопроводности.

Теплопроводность – это способность почв проводить тепло от более нагретых слоев к более холодным. Измеряется количеством тепла в калориях, которое проходит за 1 с через 1 см2 слоя почвы толщиной 1 см. Она зависит от: ● минералогического и гранулометрического состава; ● содержания воздуха и влажности; ● плотности почвы; ● теплопроводности составных частей почвы.

Чем крупнее механические элементы, тем больше теплопроводность. Так, теплопроводность крупнозернистого песка при одинаковой пористости и влажности в 2 раза больше, чем фракции крупной пыли. Наименьшей теплопроводностью обладает воздух, затем – гумус, несколько лучшей – вода, наибольшей – минеральная часть почвы.

По теплопроводности твердая фаза почвы примерно в 100 раз превышает воздух, в 28 раз воду. Поэтому рыхлая, сухая, высокогумусированная почва имеет более низкий коэффициент теплопроводности, чем плотная, влажная, с небольшим количеством гумуса, тем хуже она проводит тепло, т.е. тем длительнее удерживается в ней аккумулированная солнечная теплота.

На низких влажных местах с большим количеством органики слабая теплопроводность часто провоцирует заморозки на поверхности почвы весной и осенью, а сильно заторфованные почвы северных широт способствуют подъему уровня вечной мерзлоты и продвижению ее в более южные районы.

Сухие поверхностные слои южных почв являются своеобразным экраном, предохраняющим внутренние слои от перегрева (поверхность черноземов летом в полдень достигает 40 – 50 оС, песков в Каракумах – 70 – 80 оС).

Методы и материалы

Методической основой для нашей работы стали работы А. Е. Ферсмана и В. Р. Волобуева, в которых намечены основные подходы к оценке термодинамических свойств различных веществ, в том числе почв, а также исследования И. В. Тюрина, и С. А. Алиева, в которых рассчитаны запасы энергии, аккумулированные в почвах ряда генетических типов, и установлена закономерная связь между запасами гумуса в почве и относительной величиной энергии биологического круговорота. В частности, В. Р. Волобуев при оценке термодинамических показателей предложил считать минеральную часть почвы суммой оксидов, и для расчетов энергии кристаллической решетки и свободной энергии Гиббса использовать данные валового химического состава минеральной части почвы. Аналогично считать, что термодинамические свойства почвообразующих пород целесообразно рассчитывать по приведенной выше методике, так как в данном случае, мы имеем дело с субстратом, в большей или меньшей степени преобразованном процессами почвообразования. Значение энергии кристаллических решеток в отдельных оксидах приведены в таблицах, которые рассчитаны А. Э. Ферсманом. При отсутствии данных мы рассчитывали энергию кристаллической решетки по эмпирическим формулам. Константы свободной энергии приводятся в термодинамических справочниках. Энергетические и термодинамические характеристики рассчитывались по результатам валовых анализов сформированного гумусового слоя (А), разновозрастных почв, почвообразующих пород и субстратов антропогенного происхождения, территории древнего сельскохозяйственного размежевания Херсонеской хоры на Гераклейском полуострове — клеров; почв, которые сформировались на остатках древней крепости Харакс; средневековой крепости Чембало, а также зональные полноголоценовые почвы на мысах Айя, и Мартьян, и с использованием данных, приведенных в работах Н. Н. Дзенс-Литовской, М. А. Кочкина, И. Я. Половицкого.

Температурный режим и теплопотоки в почве под лесным покровом и на вырубках

С целью выяснения влияния вырубок на температурный режим и теплопотоки в серых лесных почвах нами были проведены наблюдения за температурой метрового слоя выбранных участков одинакового гранулометрического состава. Первые наблюдения были организованы 25-26 мая 2001 года (рис. 24). Данные показывают, что максимальные значения температуры в дневное время были отмечены на поверхности почвы, лишенной древесной растительности (100% вырубка), где в 13 часов дня на поверхности почвы она составила 32,7 С, тогда как на контроле только 21,4 С. На глубине 5, 10 и 20 см максимум температуры был отмечен также на варианте со 100% вырубкой, но уже в 1900. Под лесным покровом прогревание 20-см слоя проходило вплоть до 6 часов утра. В то же время верхний слой здесь до этого времени остывал. Минимальная температура была зафиксирована на поверхности почвы при сплошной вырубке уже в 1 час ночи, тогда как под лесом только к 7 часам утра. Отсюда можно сделать вывод, что лесной покров снижает динамичность -температуры, сглаживая ее колебания. При сравнении варианта со 100% вырубкой и контроля, можно отметить, что почва, лишенная древесного покрова на глубине 50 и 100 см уже 26 мая имела температуру соответственно 17,8 и 15,9 С. В то же время под лесом (контроль) температура на этих глубинах достигала лишь 14,4 и 12,5 С. Таким образом, прогревание почвенного профиля под лесом было менее интенсивным. Температура воздуха на высоте 1 м над поверхностью также была выше на вырубке. Измеренная температура, а также значения влажности и объемной теплоемкости позволили определить величины теплопотоков в отдельные сроки наблюдений (табл. 29). Анализируя данные таблицы, можно отметить, что отрицательные теплопотоки отмечались, начиная с 19 часов вечера на вырубке и с 16 часов на контроле.

Положительные тепловые потоки наблюдались в дневное время. На сплошной вырубке их абсолютный максимум в 10 утра и в 13 дня составил соответственно 100,7 и 92,7 Вт/м2. В это же время под лесом на контроле -} данные значения оказались равными 14,6 и 36,9 Вт/м». Кроме того, можно отметить, что в 7 часов утра в почве без древесной растительности тепловой поток был положительным, хотя и небольшим (0,7 Вт/м ), а на контроле оставался отрицательным, т.е. прогревание здесь запаздывало по сравнению с вырубкой. Таким образом, из вышеизложенного можно сделать вывод, что весной наибольшее количество тепла поступает в почву, лишенную древесной растительности, она быстрее прогревается и в ней формируются повышенные температуры и пониженная влажность. В почве, под естественным древостоем, поступление тепла минимально и, соответственно, здесь более низкие температуры на фоне повышенной влажности из-за снега, накопленного зимой. Очередные наблюдения за тепловым состоянием и влажностью почвы были проведены 18-19 июля 2001 года. Нужно отметить, что в этот период на большей части исследуемой территории с 7 часов и до 10 часов утра проходили сильные дожди, поэтому измерения температуры в отдельные сроки произвести было невозможно. Данные температурных измерений представлены на рис. 25. Наиболее высокой, как и в мае была температура поверхности почвы в дневное время при сплошной вырубке леса, а под лесным покровом минимальна. К этому времени температура на метровой глубине на обоих вариантах практически выровнялась и составляла 11-12 С. К сожалению сильный дождь с 7 до 10 утра не позволил провести детальные измерения температуры почвы, поэтому рассчитать тепловые потоки за сутки и в отдельные сроки не представилось возможным. Тем не менее можно сравнить тепловые потоки за отдельные промежутки времени в вечернее и дневное время (табл. 30). Из таблицы 30 видно, что вечером, как и в мае, почва, лишенная древостоя, остывает быстрее, отдавая большее количество тепла, чем почва, покрытая лесом. Днем же идет обратный процесс: тепла, поступающего в почву, на вырубке оказывается в 3 раза больше, чем под лесным покровом.

Выводы

С термодинамических позиций почвообразование представляет собой процесс закономерного увеличения термодинамических и энергетических характеристик субстрата, на котором формируются почвы. Высокие значения скоростей почвообразования на его начальных этапах объясняются термодинамическими характеристиками почвообразующих пород. В почвах значения энергии кристаллической решетки минералов и свободной энергии Гиббса больше, чем в почвообразующих породах.

Энергетический подход к вопросу количественной оценки аккумулированной гумусом почвы энергии позволяет количественно определить энергетическую ценность гумуса, определить темпы аккумуляции энергии в нем, и прогнозировать процессы количественного и качественного восстановления почв на рекультивированных участках. При формировании почвы на плотных почвообразующих породах энергия, накапливаемая в гумусе, имеет меньшие значения, чем в почвах, формирующихся на рыхлых породах. Со временем процесс накопления энергии затухает. Энергия в гумусе почв приобретает значения, близкие к полнопрофильным голоценовым почвам, уже через 1000–1500 лет их функционирования.

С увеличением значений энергетических и термодинамических характеристик в почвах темпы процесса почвообразования замедляются.