CC BY
38
АГРОЭКОЛОГИЯ
УДК 631.436:556.124:630*434(571.15) С.В. Макарычев,
В.И. Пастухов
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ЗАПАСОВ ТЕПЛА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ ЛЕНТОЧНЫХ БОРОВ
Ключевые слова: тепловой режим,
сумма температур, гарь, рельеф, снежный покров, погода.
Введение
Источником тепла в почве является лучистая энергия Солнца. Среднее количество тепла, поступающее на поверхность Земли, составляет 8,15 Дж/С° на 1 см2 в минуту (солнечная постоянная). Часть этого тепла отражается от поверхности Земли, а часть рассеивается в атмосферу растительным покровом, поэтому к поверхности почвы приходит значительно меньшее количество энергии, которая поглощается и передается вглубь почвы благодаря ее тепловым свойствам.
Тепловой режим почвы определяется совокупностью явлений поглощения, передвижения, передачи тепла и распределением температур на разной глубине и в разные периоды. Основной показатель этого режима — температура почвы. На ее температуру влияют климат, растительность, рельеф, снежный покров, а также механический состав, влажность, плотность.
Роль теплового режима для растений и биологических процессов определяется количеством тепла, влаги и воздуха в почве. Наилучший рост корневых систем растений наблюдается в интервале 10-25°С. С увеличением количества тепла происходит размножение бактерий, повышается их биологическая активность, следовательно, переработка органического вещества, усиливается процесс газообмена и передвижения влаги в почве. При снижении температуры все процессы замедляются, а при падении температуры ниже 0°С начинается замерзание почвы. Но между температурой почвы и растений обнаруживается и обратная связь: растительный покров существенно
воздействует на динамику температуры в почве [1]. Кроме того, к факторам, влияющим на тепловой режим почвенной толщи, относятся снежный и другие покровы, а
также стихийные бедствия и производственная деятельность человека.
Результаты исследований
С целью выявления особенностей формирования теплового режима в дерновоподзолистых почвах северо-восточной части ленточных боров Алтайского Приобья в зависимости от погодных условий, режима почвенной влажности и характера напочвенного покрова нами в 2008-2010 гг. проведены сопряженные наблюдения на гари и под лесным покровом, не подвергнутому пиро-генному воздействию.
Первые измерения температуры в почве состоялись 30 мая 2008 г. Погода в это время была пасмурна и безветренна. Представленные абсолютные значения температуры свидетельствуют о том, что максимум почвенных температур отмечался на нижней трети склона юго-западной экспозиции в 13 ч (+21,6С), в межгривном понижении на гари — +19,1 С. Наименьшая температура поверхности в это время была на вершине увала под лесом.
С 14 на 15 июня были организованы суточные наблюдения за температурным режимом дерново-подзолистой почвы. Погода в этот период была безветренная, 14 июня 2008 г. облачно с прояснениями, с 15 июня 2008 года переменная облачность в первой половине дня, а во второй половине пасмурно.
Максимальные суточные колебания температуры наблюдались на поверхности почвы. При увеличении глубины происходило затухание, и уже на 50-сантиметровой глубине изменение температуры практически не наблюдалось [2].
Эти данные показывают, что максимум температур отмечался на нижней трети склона юго-западной экспозиции, где отсутствует лесной покров, за исключением отдельных обгоревших и отмерших деревьев. Слабее прогревалась почвенная толща в межгривном понижении. Наименьшая сум-
ма суточных температур имела место под лесным покровом, защищающим поверхность почвы от прямых солнечных лучей. В середине июня 2008 г. максимум почвенной температуры отмечался на нижней трети склона юго-западной экспозиции под горелым лесом в 16 ч (+35,6°С), на вершине увала под лесом — +24,7С. Наименьшая температура поверхности в это время была в межгривном понижении на гари. На глубине 20 см характер распределения температуры оказался аналогичным. Наиболее резкое падение почвенных температур в ночные часы отмечалось на вершине увала, где к 4 ч почва остыла до + 13С, тогда как в межгривном понижении на гари и на нижней трети склона юго-западной экспозиции
— лишь до +14 и + 13,2С соответственно. Утром в 10 ч эти участки стали прогреваться быстрее, чем вершина увала. Динамика температуры на глубинах 50 и 100 см выражены значительно слабее. Так, на 100-сантиметровой глубине в межгривном понижении на гари и на нижней трети склона юго-западной экспозиции, а также на вершине увала в течение суток она изменялась в пределах от +9,9 до +11,6С (1,5С).
В период с 10 по 11 июля 2008 г. наблюдения показали, что в целом характер распределения суточных температур остался неизменным. В то же время температура почвы под лесом на склоне северовосточной экспозиции оказалась минимальной. Погода 10 июля 2008 г. была облачная с прояснениями, ветер слабый, 11 июля 2008 г. — пасмурная, ветер слабый. В 19 ч верхний слой почвы на нижней трети склона юго-западной экспозиции, на гари и в меж-гривном понижении нагрелся до +21,7 и +22,1 С соответственно, а на вершине увала — + 19,6С. Менее всего поверхность почвы прогрелась на склоне северовосточной экспозиции под пологом леса и составила + 18,9С. К 22 ч температура почвенной толще снизилась. Ночная температура на вершине увала (на контроле) оказалась значительно выше. Это объясняется тем, что лес препятствует выходу тепла из почвы в атмосферу. Тем не менее северовосточный склон (контроль) остыл значительнее.
Аналогичные измерения температуры почвы проведены в августе 2008 г. Оказалось, что на вершине увала к 13 ч температура поверхности почвы достигла максимального значения +28,2°С. На нижней трети склона юго-западной экспозиции и в межгривном понижении под горелым лесом достигает следующих значений — от +21,2 до +22,3°С. Наименьшая температура по-
верхности в это время была на склоне северо-восточной экспозиции 17,4°С.
Наиболее резкое падение почвенных температур в ночные часы отмечалось на склоне северо-восточной экспозиции, где к 7 ч почва остыла до + 14С. Динамика температуры на глубинах 50 и 100 см выражена значительно слабее. Погода 8-9 августа 2008 г. была ясной, безветренной, лишь во второй половине 9 августа 2008 г. отмечалась переменная облачность. Следует отметить, что в июле сумма суточных температур была наибольшей по сравнению с июнем и августом. Тем не менее в августе температурная обстановка на различных вариантах выровнялась. Это связано с тем, что солнечные лучи слабо прогревали почву на северо-восточном склоне под сосновым лесом.
Погода 6 сентября 2008 г. была безветренной с переменной облачностью. Измерения температуры в 13 ч показали, что максимум температуры был в межгривном понижении на гари на поверхности почвы и составил +25,2С. Наименьшая температура поверхности в это время была зафиксирована на склоне северо-восточной экспозиции под пологом леса — +16,8°С. Сильнее прогревалось межгривное понижение, значительно слабее склон северо-восточной экспозиции под лесным покровом.
С падением температуры воздуха к 21 ч 20 сентября 2008 г. температура поверхности почвы в межгривном понижении, на вершине увала, склоне северо-восточной экспозиции снизилась, достигнув одинаковых значений от +6,4 до +7,9°С.
Из наблюдений за температурой почвы мы видим, что 4 ноября 2008 г. в 16 ч температура колебалась на всей метровой толще на всех участках мезорельефа в пределах от +4,9 до +6,1 °С.
К концу ноября 2008 г. с понижением температуры атмосферного воздуха -4°С температура поверхности почвы стала уменьшаться. Наиболее резко она упала в межгривном понижении и на нижней трети склона юго-западной экспозиции на гари до -0,8°С соответственно. На участках, защищенных лесом, верхний слой почвы охладился лишь до -0,3°С.
Наблюдения за температурой почвенной толще были продолжены в 2009 и в 2010 гг.
Результаты температурных наблюдений в мае 2009 г. показывают, что на всех участках мезорельефа идет постепенное увеличение температуры в метровой почвенной толще. Температура почвы в межувальном понижении и на нижней трети склона югозападной экспозиции на гари выше, чем на вершине увала и северо-восточном склоне
под пологом леса. Возможно, здесь проход света затрудняют деревья.
В начале июня 2009 г. наиболее высокая температура поверхности почвы наблюдалась как на гари, так и под не тронутым пожаром лесе в 15 часов. При этом максимальные значения температуры наблюдались на территории, лишенной древесной растительности. Так, на гари в межгривном понижении и на нижней трети склона югозападной экспозиции температура поверхности почвы в 15 ч составила +26,3 и +25,7°С соответственно, а на вершине увала и склоне северо-восточной экспозиции (не горелый лес) — +23,4 и +19,3°С. В нижележащих горизонтах распределение температуры имело ту же закономерность: под не тронутым пожаром лесе почвенный профиль имел меньшую температуру по сравнению с участком леса, лишенного древесной растительности.
14-15 июня были проведены суточные наблюдения за температурой почвы. Оказалось, что сумма температур была максимальна на участках под сосновым лесом. Слабее прогрелась почва на гари как в 20сантиметровом слое, так и в метровой почвенной толще.
С наступлением ночи температура поверхности и нижних горизонтов почвы стала уменьшаться. Наиболее резко она понизилась в межгривном понижении на гари, где к 7 ч утра верхний слой почвы охладился до + 13,9°С, а на склоне (лес) — лишь до + 17,1 °С.
В начале июля 2009 г. для более подробного изучения температуры почвы на различных участках мезорельефа были добавлены две точки измерений (межгривное понижение и под пологом леса).
Погода 15 июля 2009 г.: ветер слабый, переменная облачность. Освещенность в 13 ч: межгривное понижение (гарь) — 85*103 лк, нижняя треть склона юго-западной экспозиции (гарь) — 75*103 лк, вершина увала (лес) — 13*103 лк, склон северо-восточной экспозиции (лес) — 13*103 лк, межгривное понижение (лес) — 35*103 лк, нижняя треть склона юго-западной экспозиции (лес) — 16*103 лк.
В этот период в 13 ч дня верхний слой почвы на северо-восточном склоне под естественным древостоем нагрелся до температуры +26,4°С, а минимум температуры верхнего слоя почвы был зафиксирован в межгривном понижении и составил +20,1 °С. В 16 ч дня характер распределения температур по всему метровому слою почвы на различных вариантах не изменился. В ночные часы (к 4 ч утра) температура поверхности почвы на гари опустилась до
+ 14,7°С, а под пологом леса температура почвы на поверхности — +15-20°С в зависимости от экспозиции.
1 августа 2009 г. в 15 ч были проведены промежуточные наблюдения за температурой. Естественно, что под пологом леса температура поверхности почвы и всего почвенного профиля была ниже, чем на гари. На 20-сантиметровой глубине температура не превышала +16,2-16,4°С, кроме варианта (нижняя треть склона югозападной экспозиции под пологом леса), где температура составила +18,2°С.
Сентябрьские температуры почвы в 15 ч дня под естественным древостоем оказались ниже, чем на открытых участках. Освещенность: межгривное понижение (гарь)
— 43*103 лк, нижняя треть склона югозападной экспозиции (гарь) — 56*103 лк, вершина (лес) — 15*103 лк, склон северовосточной экспозиции (лес) — 20*103 лк, нижняя треть склона юго-западной экспозиции (лес) — 16*103 лк, межгривное понижение (лес) — 10*103 лк. Погода: ветер слабый, пасмурно. Во второй половине сентября отмечалось снижение температуры по всему почвенному профилю как на гари, так и на нетронутой пожаром территории.
В октябре 2009 г. средняя месячная температура воздуха опустилась до 4,8°С. В связи с этим снижалась температура почвенной толщи. На гари и на северовосточном склоне под пологом леса температура верхнего слоя почвы опустилась ниже нуля.
Наблюдения за температурой почвенной толщи были продолжены в 2010 г. Зима 2009-2010 г. была холодной.
Максимальное понижение температуры поверхности почвы 1 января 2010 г. отмечалось на вершине увала под сосновым лесом -10,9°С. В главе II показано, что январь и февраль 2010 г. были холоднее среднемноголетней нормы, что отразилось на температурах почвы.
Наблюдения за температурой почвы весной 2010 г. показывают, что на всех участках мезорельефа идет постепенное прогревание почвы. В марте 2010 г. максимум температуры почвы отмечался на вершине увала, покрытого лесом (-4,8°С).
3 мая 2010 г. температура воздуха достигла + 19,1 С. Распределение температур в почве позволило сделать вывод, что максимум температуры поверхности почвы отмечался на нижней трети склона юго-западной экспозиции, составив +9,5С. В межгривном понижении, на гари +8,3С. Наименьшая температура поверхности была в межгрив-ном понижение под пологом леса +3,8°С.
Таблица 1
Сумма температур в метровом слое дерново-подзолистой почвы на гари, 2010 г.
Дата Межгривное понижение Нижняя треть склона юго-западной экспозиции
03.05 36,8 36,8
02.06 118,2 117,4
03.07 159,8 145,4
02.08 136,3 122,9
Таблица 2
Сумма температур в метровом слое дерново-подзолистой почвы под лесным покровом (контроль), 2010 г.
Дата Вершина увала Склон северовосточной экспозиции Межгривное понижение Нижняя треть склона юго-западной экспозиции
03.05 34,1 8,5 3,4 17,9
02.06 117,9 116,8 115,7 115,8
03.07 125,4 120,7 120,1 118,7
02.08 134,7 132,9 118,5 120,4
Средняя температура воздуха 2 июня 2010 г. составила 14,4°С. Наблюдения за температурой почвы показали, что в целом характер распределения температур в почвенной толще остается неизменным. Меньше всего поверхность почвы прогрелась в межгривном понижении под пологом леса (+19,9С).
Одним из важных показателей, который наиболее полно характеризует температурный режим в почвенном профиле, может быть сумма температур на различной глубине почвенной толщи [3].
В 2010 г. в течение вегетации температура почвенного профиля постепенно нарастала и достигла максимального значения 2 июля 2010 г. В целом почвенный профиль характеризовался высокими температурами вплоть до августа. Суммарные температуры почвы на разных глубинах в значительной степени связаны с погодными условиями по изучаемым периодам.
Заключение
Большое влияние на жизнь леса оказывают осадки холодного периода.
Прежде всего, отметим, что снег в своей толще и под ним создает особый микроклимат. Он — плохой проводник тепла, что затрудняет теплообмен между почвой и воздухом. Разница температур на поверхности снега и под ним при высоте 15-20 см в холодные периоды зимы достигает
15-20°С (Васильченко, 1975, 1978; Хабаров, 1979, 2000). Кроме того, осадки холодного периода в Западной Сибири — источник ус-
тойчивого поступления влаги, на их долю приходится более 30% общего количества осадков [4]. Также снег защищает подрост сосны от вымерзания.
Почва в лесу промерзает незначительно или совсем не промерзает в отличие от гари, где толщина снежного покрова ниже. В связи с этим весной впитывание талой воды идет интенсивнее, что положительно отражается на всех процессах жизнедеятельности леса и обеспечивает инфильтрацию талой воды во внутренние слои почвы.
Проведенный анализ показал, что наиболее существенные различия в температуре имеют место на поверхности и в верхних слоях почвы.
Прогревание более глубоких слоев почвы запаздывает на всех элементах рельефа, его показатели гораздо ниже, чем на поверхности.
Библиографический список
1. Макарычев С.В., Мазиров М.А. Теплофизика почв: методы и свойства. — Суздаль, 1996. — 231 с.
2. Макарычев С.В., Величкина С.В.
Формирование режима тепла и влаги в черноземах Приобья при разных способах обработки // Вестник АГАУ. — 2003. —
№ 4(12). — С. 16-21.
3. Васильченко Г.В. Снежный покров и сад. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978. — 120 с.
4. Хабаров С.Н. Влагосберегающие приемы в садах Западной Сибири // Садоводство. — 2000. — № 1-2. — С. 58-64.
+ + +
