CC BY
79
УДК 551.5:631.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ
С.М. ПАКШИНА
ФГБОУ ВПО «Брянская Государственная сельскохозяйственная академия»
В работе представлены расчёты основных величин температурного режима почв.
Ключевые слова: серые лесные почвы, температурный режим, коэффициент температуропроводности, поток водяного пара в почве.
ВВЕДЕНИЕ
Температурный режим почвы - это термическое состояние, которое складывается на разных глубинах в разное время и характеризуется температурным полем. Изменение температуры в почвенном профиле во времени возникает в процессе непрерывного распределения элементов теплового баланса на деятельной поверхности.
Деятельной поверхностью называют тонкий слой, в котором происходит поглощение солнечной радиации, последующее нагревание и излучение. На деятельной поверхности возникают теплообменные процессы с приземным воздухом и нижележащими слоями почвы. В результате этих процессов имеют место температурные колебания в определенном слое почвы, толщина которого зависит от величины теплофизических характеристик почвы и от периода тепловой волны (сутки, год).
Этот слой, который называют активным слоем почво-грунта, ограничен сверху деятельной поверхностью, а снизу уровнем постоянных температур. До уровня постоянных температур уже не доходят тепловые волны [1].
Полный тепловой баланс на деятельной поверхности выражает закон сохранения энергии и представляется в следующем виде:
Я=Р+ЬЕ+В, (1)
где Я-радиационный баланс, Р-турбулентный поток тепла, В-теплообмен с почвой, Е-турбулентный поток водяного пара, Ь-удельная теплота парообразования. Все члены уравнения (1) имеют размерность плотности потока [2].
Величина радиационного баланса (Д),которая остается после потерь за счет отражения и излучения, расходуется на процессы турбулентного теплообмена с приземным воздухом в количестве Р, на испарение - в количестве ЬЕ. Оставшаяся часть Я в количестве В обеспечивает передачу тепла в глубь почвы путем теплопроводности [1]. Таким образом, возникают суточные и годовые температурные поля в профиле почво-грунта.
Температура почвы является одним из важнейших факторов жизни растений и почвенных микроорганизмов. От температуры почвы зависят скорость прорастания семян, появление всходов, наступление и прохождение фаз культур, распространение болезней и вредителей, поглощение корнями растений питательных элементов [3].
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Целью данной работы является исследование температурного режима серой лесной легкосуглинистой почвы опытного поля БГ'СХА. Выполнение работы стало возможным после открытия в 2004 году при БГ'СХА собственной метеостанции. В исследовании были использованы данные температуры почвы и грунта на следующих глубинах: 0, 5, 10, 15, 20, 40, 80, 120, 320 см за 2007-2010 годы [4].
Расчет коэффициента температуропроводности проводился по следующей формуле:
К=ТГ(Ь2 ~ Ь])2/т1п [(1 1тах - г 1ттУ0 2тах - Ь2шт )], М2/с, (2)
где т - период температурных колебаний, равный одному году, 1 гтах, 11тш, 12тах > * 2шт - годовые температурные максимумы и минимумы на двух глубинах почво-грунта^ и Иг.
Для определения входящих в формулу (2) величин строился график годового хода средней месячной температуры почвы.
Глубина грунта, па которой затухают температурные колебания (Из) рассчитывалась по формуле*
Ьз= -УКт/тг 1п 10, (3)
где 10 означает, что на глубине Ьз температурные колебания уменьшаются до 10-й доли своего значения на поверхности.
Для расчета величину сдвига фаз на глубине Ьз использовали следующую формулу:
ш = 2 / Ьз, (4)
где т - отставание фазы на гп-ю долю от величины т.
Расчёт температуры грунта на глубине затухания температурных волн проводили по формуле:
13 = 1оехр(-Ь3 V*/Кг), (5)
где 1з, го-соответственно температура на уровне затухания волн и поверхности почвы [1].
Расчет термодиффузионных потоков пара по глубине почво-грунта проводился по формуле:
q=(A, асрПЬ/РТ0,7) * ДТ/Дк г/см2 сек, (6)
где А1 - 2,8*10"6; а<р - число, характеризующее ослабление процесса диффузии пара в почве и грунте, вызванное структурой и влажностью; П=(Р1 +Рг)/2 - упругости водяного пара над водной поверхностью при температурах 1 и 2; Р - общее давление воздуха; Т - абсолютная температура, Ь - толщина слоя, через который изучается диффузия, Ь - удельная теплота парообразования [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ На рисунке представлен годовой ход температуры почвы и грунта на трёх глубинах: 0: 0,8; 3,2м. Из рисунка следует, что на опытном поле температурные колебания не затухают на глубине, равной 3,2 метра. Сдвиг фазы температурной волны в связи с её проникновением с поверхности в глубинные слои почво-грунта на глубине 3,2 м составляет 2 месяца. Отсутствие данных температуры почво-грунта в интервале 1,2-3,2 м не позволяет установить меньшую величину сдвига фазы.
Одной из основных геплофизических характеристик почвы, которая определяет скорость распространения тепла в почве, является коэффициент температуропроводности (К,
2 2 3
см /с, м /с). Величина К равна изменению температуры 1 см почвы или грунта, которое вызвано поступлением тепла, протекающего за 1 сек через 1 см2 поперечного сечения, при градиенте температуры, равном 1 °/1 см [6].
В таблице 1 приведены рассчитанные значения К по формуле (2) для слоев почво-грунта, ранных. 0-3,2м и 0,8-3,2м. Для расчета средних запасов влаги в течение года исполь-зоиили данные по запасам влахи в метроном слое почвы после схода снежного покрова и уборки урожая.
Таблица 1
Коэффициент температуропроводности (К* 10"', м2/час) серых лесных почв опытного поля БГСХА
Год Слой почво-грунта, м Запасы влаги в метровом слое почвы, мм
0-3,2 м 0,8-3,2 м
2008 5,6 5,0 315
2009 3,5 3,1 198
2010 2,2 3,2 150
Из табл. 1 следует, что величина К изменяется со временем и зависит от общих запасов влаги в течение года. Влажность почзы или грунта является наиболее эффективным фактором, влияющим на изменение величины К. Это объясняется тем, что при увлажнении почв
(грунтов) из их пор удаляется малотеплопроводный воздух (Х= 6*10"3 кал/(см с град), который заменяется на хорошо проводящую тепло влагу (Х= 136*10"5 кал/(см с град)) [7]. Здесь, X - коэффициент теплопроводности, равный ^=К*С0б. (С0б. - объемная теплоёмкость).
Определив значение К для материнской породы (И=0,8-3,2м), по формуле (3) была рассчитана глубина, на которой затухают температурные колебания (Из). Расчеты показали, что затухание температурных колебаний ка опытном поле происходит на глубине, приблизительно равной 7м. По данным работы [I] при исследовании длительных температурных режимов (порядка года) температурные колебания затухают на глубине 5-20м от поверхности почвы. Температура грунта на глубине 7м„ рассчитанная по формуле (5), составила 2,7°С.
Расчет отставания фазы на 10-ю долю от величины т по формуле (4) показал, что отставание температурного максимума на глубине 7м составляет около 5 месяцев по сравнению с максимумом на поверхности почвы
Банк данных по температурному режиму почво-грунтов, имеющийся на метеостанции БГСХА, позволяет сделать оценку внутрипочвенной конденсации водяного пара. В табл. 2 приведены данные среднемесячной температуры на разных глубинах почвы в 2010 году.
Таблица 2
Среднемесячная температура на разных глубинах почвы и грунта в 2010 году [4]
Глубина, см Среднемесячная температура, °С
I П III IV V VI VII VIII IX X XI XII
0 -15,1 -11,1 -2,7 9,0 19,8 24,3 28,3 25,9 14,0 3,8 -4,7 -6,6
5 -4,4 -4,9 -5,1 0,9 14,0 20,7 24,2 21,6 12,3 6,5 - -
10 - - - 1.0 14,1 20,3 23,9 20,1 12,0 6,0 - -
15 ■ 1,1,1 11,7 22,4 13,6 6,7 - -
20 • - - 2,0 15,3 21,6 24,2 23,5 11,7 7,0 - -
40 -3,0 -1,9 -1,2 4,5 15,2 20,4 24,9 23,8 14,3 6,9 [ 4,5 0
80 -1,9 -1,5 -0,7 4,3 15,1 20,4 25,0 24,1 15,4 7,7 5,0 0,6
120 2,3 2,2 2,6 4,8 15,4 19,9 24,1 24.7 17,7 11,6 7,5 4,7
320 6,5 5,9 5,1 4,2 8,2 11,5 14,3 16,1 15,5 11,3 6,9 6,7
Как видно из табл. 2, с января по март и с октября по декабрь из нижних, более теплых горизонтов (120-320 см) термодиффузионные потоки пара направлены вверх к близлежащим слоям. Тогда как с апреля по сентябрь потоки пара направлены от поверхности в глубь почвы. В течение всего года поток пара направлен от слоя 320 см к слою с постоянной температурой (2,7°С) на глубине 7 м.
Для количественной оценки потоков пара уравнение (6) было приведено к вид)', удобному для расчетов. Для почв и грунтов величина аф составляет значение, равное 0,25. Принималось, что атмосферное давление (Р) равно нормальному (760 мм рт. ст.), удельная теплота парообразования (Ь) равна 539 кал/г [8]. Тогда уравнение (6) приняло следующий вид:
Я=12.9(П/Т°Д) (ДТ/ДЪ), мм/месяц.
(7)
Из формулы (7) следует, что величина потока пара в определенной почве зависит от градиента температуры, упругости водяного пара и абсолютной температуры почвы.
В табл.3 приведены рассчитанные по формуле (7) значения термодиффузионных потоков пара, направленные от поверхности почвы к горизонтальной плоскости при Ь=5 см и от горизонтальной плоскости при 11=320см к слою грунта с постоянной температурой (11з=7м, Т=275,7 °С).
Таблица 3
Рассчитанные по формуле (7) термодиффузионные потоки водяного пара в слое почво-грунта в 2010 году, мм/месяц
Месяцы
Мощность слоя, см Уровень конденсацт см I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Всего, мм
0-5 5 - - - 2,70 4,10 3,50 4,90 4,44 1,93 - - - 21,57
120-320 320 - - - 2,01 0,10 0,14 0,17 0,18 0,04 - - - 0,64
320-700 700 0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,08 0,04 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,42
Из табл. 3 следует, что б 2010 гот :)а счет конденсации в течение вегетации растений на глубине почвы, равной 5 см, поддерживался слой влаги толщиной 2,7-4,9 мм. За период вегетации объем конденсированного пара составил 215,7 м3/га, что равно 5,2 % от выпавших осадков за тот же период (4125 м /га).
За пределами почвенного слоя объемы конденсированного пара незначительны, но эта влага не расходуется на транспирацию растений и физическое испарение. При наличии водонепроницаемой прослойки в грунте может сформироваться над ней слой с разной степенью насыщения влагой.
Кроме того, использование данных температурного режима позволяет объяснить причины проявления ряда процессов: вымерзание и выпревание озимых культур, появление болезней и вредителей.
В табл.4 приведены данные температуры почвы на глубине узла кущения озимых культур в 2007/08,2008/09,2009/10 годы.
Таблица 4
Температура почвы (1 °С) на глубине узла кущения озимых культур в разные годы
Годы Месяцы
X XI XII I II Ш IV
2007/08 8,0 0,3 -2,0 -4,8 -2,6 0,9 7,1
2008/09 8,3 3,2 -1,6 -4,5 -4,4 -1,1 5,3
2009/10 4,8 3,1 -1,6 -4,4 -4,9 -5,1 7,0
Как видно из табл.4, температура почвы на глубине узла кущения озимых культур намного превышала критические значения, при которых начинается вымерзание культур. Однако термические условия 2009/1 Огг. были наименее благоприятными для прохождения фазы кущения озимых.
Основным показателем теплообеспеченности почв является сумма активных температур (>10 °С) почвы на глубине 20см от поверхности и продолжительность этого периода. Продолжительность периода активных температур почвы в 2008 и 2009-2010 гг. составила соответственно 143 и 163 дня. Сумма активных температур почвы в 2008, 2009 и 2010 годы составила соответственно 2548°С, 2865°С, 3126Г'С. Согласно классификации В.Н. Димо (1972) в 2008 году теплообеспеченность почв была выгпе средней, в 2009г. и 2010г. - хорошая [9].
ВЫВОДЫ
1. При исследовании длительных температурных процессов (в течение года) в серых лесных легкосуглинистых почвах амплитуды колебаний затухают на глубине грунта, составляющем приблизительно 7м при сдвиге фаз около 5 месяцев.
2. Коэффициент температуропроводности почвы изменяется во времени и зависит от влажности почвы.
3. Термодиффузионные потоки водяного пара с апреля по сентябрь направлены от поверхности в глубь почвы и составляют около 22мм.
4. Термодиффузионные потоки водяного пара, направленные от слоя, равного 320см, к слою с постоянной годовой температурой, проявляются круглый год и составляют 0,42мм/год.
5. Серые лесные почвы опытного поля БГСХА характеризуются выше средней и хорошей теплообеспеченностью.
6. В годы исследований (2007-201 Ог.г.) температура почвы на глубине узла кущения озимых культур не достигала критических значений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нерпин, С.В. Физика почвы / С.В. Нерпин, А.Ф. Чудновский // М.: Наука. - 1967. - 584с.
2. Будаговский, А.Н. Испарение почвенных вод / А.Н. Будаговский. //- Физика почвенных вод. М.: Наука. - 1981, С. 13-96.
3. Чирков, Ю.И. Агрометеорология. / Ю.И. Чирков // Л.: Гидрометеоиздат. - 1986, -296с.
4. Агрометеорологический бюллетень. Метеостанция БГСХА: с. Кокино, 2007-20 Юг.
5. Чудновский, А.Ф. Расчет величины внутрипочвенный конденсации. / А.Ф. Чудновский //Доклады ВАСХНИЛ, 1977, №5, с. 10-13.
6. Толковый словарь по почвоведению. - М.: Наука, 1975, 286с.
7. Ганжара,Н.Ф. Почвоведение/Н.Ф. Ганжара // М.: Агроконсалт- 2001. - 392с.
8. Кабардин, О.Ф. Физика. Справочные материалы. / О.Ф. Кабардин // М.: Просвещение. - 1991.- 368с.
9. Димо, В.Н. Тепловой режим почв СССР / В.Н. Димо // М.: Колос. -1972.
The investigation of temperaiure range regimes of grey forest soils
S. M. Pakshina
The Bryansk State Agricultural Academy In the given article the results of calculations of the most important values relating to temperature range regimes of grey forest soils are presented.
Key words; grey forest soils, temperature range regime of soils, temperature conductivity coefficient, flow rate water vapour in the soil
t"c
35
-20 -1
Рисунок. Годовой ход средней месячной температуры почвы на разных глубинах. 1 - поверхность почвы, равная 0 см; 2 - глубина почвы, равная 80 см; 3 - глубина почвы, равная 320 см.
