CC BY
6
УДК 631.445.4:635.2(571.15)
DOI: 10.53083/1996-4277-2023-221-3-28-33
С.В. Макарычев S.V. Makarychev
К ВОПРОСУ ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ В ПРОФИЛЕ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ РЕПЧАТОГО ЛУКА
FEATURES OF THERMAL STATE IN LEACHED CHERNOZEM PROFILE DURING BULB ONION CULTIVATION
Ключевые слова: чернозем, лук репчатый, температура, сумма температур, влажность, теплоемкость, теплопроводность, теплопоток, температуропроводность.
Урожайность овощных культур зависит от погодных условий региона и почвенного плодородия. Для выявления особенностей теплофизического состояния, формирующегося в профиле чернозема выщелоченного, нами в 2006-2007 гг. были проведены наблюдения за его составляющими под насаждениями лука репчатого. В течение вегетации суммарная температура во всем 20-сантиметровом слое в 2006 г. снижалась. Погодные факторы, такие как температура воздуха и почвы, ее влагосодержание определили величины тепло-физических коэффициентов. При этом диапазон изменений тепло- и температуропроводности находился в пределах от 10 до 15%, а теплоемкости - 25%. Максимальное количество тепла в 2006 г. поступало в почву с 10:00 до 13:00 ч. Его среднесуточный максимум составил 63,9 Вт/м2. В ночное время поток тепла менял направление на противоположное и выходил из почвы в атмосферу. В 2007 г. процессы прогревания профиля чернозема оказались аналогичными и зависели от погоды. Среднесуточная сумма температур в пахотном горизонте в июне оказалась равной 616°С, а в июле -852°С за счет высокой температуры воздуха. Уровень увлажнения в 2007 г. был гораздо выше, чем в 2006 г., поэтому теплоемкость возрастала до 2,2 Вт/(м К). В результате среднесуточный поток тепла в июне составил 77,3 Вт/м, а в июле при меньшей теплоемкости -53,9 Вт/м2. Информационно-логический анализ показал, что максимальное влияние на урожайность оказывал гидротермический коэффициент (ГТК) в первой половине вегетации. На втором месте по значимости оказалась сумма температур почвы в слое до 20 см.
Макарычев Сергей Владимирович, д.б.н., профессор, ФГБОУ ВО Алтайский ГАУ, г. Барнаул, Российская Федерация, е^Н: Makarychev1949@mail.ru.
Введение
Репчатый лук занимает значительное место в питании человека как в свежем виде, так и в переработанном. В луке много витаминов и минеральных солей, а также эфирное масло. Он обладает бактерицидным действием. Относится
Слабее связь урожайности лука с содержанием почвенной влаги и объемной теплоемкостью.
Keywords: chernozem, bulb onion, temperature, accumulated temperature, moisture content, thermal capacity, thermal conductivity, heat flow, thermal diffusivity.
The yield of vegetable crops depends on the weather conditions of the region and soil fertility. To reveal the features of the thermophysical state that is formed in the profile of leached chernozem, in 2006 and 2007 we made observations of its components under bulb onion plantations. In 2006, during the growing season, the total temperature in the entire 20 cm soil layer decreased. The weather factors as air and soil temperature, and soil moisture content determined the values of thermophysical coefficients. In this case, the range of changes in thermal conductivity and thermal diffusivity was within 10-15%, and the thermal capacity - 25%. The maximum amount of heat in 2006 entered the soil from 10 am to 1 pm. Its average daily maximum was 63.9 W m2. At night, the heat flux reversed direction and escaped from the soil into the atmosphere. In 2007, the processes of warming up the chernozem profile turned out to be similar and depended on the weather. The average daily accumulated temperature in the arable layer in June turned out to be 616°C, and in July - 852°C due to high air temperature. The moisture level in 2007 was much higher than in 2006, so the thermal capacity increased to 2.2 W (m K). As a result, the average daily heat flux in June was 77.3 W m2, and in July, with a lower thermal capacity, 53.9 W m2. Information-logical analysis showed that the hydrothermal coefficient (HTC) had the maximum impact on the yield in the first half of the growing season. The accumulated soil temperature in the layer up to 20 cm was in second place in terms of significance. The relationship between bulb onion yield and soil moisture content and volumetric thermal capacity is weaker.
Makarychev Sergey Vladimirovich, Dr. Bio. Sci., Prof., Altai State Agricultural University, Barnaul, Russian Federation, e-mail: Makarychev1949@mail.ru.
к семейству лилейных (Аllium cepa L.). Корни лука тонкие и вытянутые, покрыты волосками, быстро сохнущими на воздухе. Практически вся корневая система развивается в пахотном слое до глубины 20 см. В настоящее время в России и на Алтае задача стабильного обеспечения
населения этими овощами решена, особенно за счет частного огородничества. В крае выращивание лука ведется чаще всего посредством севка. Но некоторые сорта, такие как Сибирский, Ермак дают возможность выращивать лук через посев семян в грунт [1].
Объекты и методы
Целью работы явилось исследование особенностей формирования теплофизического состояния чернозема при возделывании лука. Объекты изучения - чернозем выщелоченный и лук репчатый сорта Сибирский. Для этого проводилось наблюдение за температурой почвы электротермометром на глубинах от 0 до 20 см в соответствии с Руководством по градиентным наблюдениям в 7:00, 10:00, 13:00, 16:00, 19:00, 1:00 и 7:00 ч [2-4], измерялись теплофизические показатели и рассчитывались тепловые потоки [5].
Результаты исследований
Культурные сорта лука, как правило, холодостойкие. При температуре воздуха 14-16°С всходы появляются через 2 недели, а при 20°С -через 6-7 дней. Всходы лука при температуре -5°С погибают. Сорта лука влаголюбивы, особенно в первую половину вегетации. Строение его листьев указывает на приспособленность растения к засухе, но слабое развитие корневой системы определяет высокую требовательность к воде. До начала созревания влажность в деятельном слое почвы должна соответствовать 0,75 НВ [6, 7]. Оптимальными для луковой культуры являются суглинистые и супесчаные почвы. Особенности корневой системы не требуют наличия в почве значительного запаса питательных элементов [8].
Главным образом урожайность овощных культур зависит от погодных условий региона и почвенного плодородия. Для выявления особенностей теплофизического состояния, формирующегося в профиле чернозема выщелоченного, нами в 2006-2008 гг. были проведены наблюдения под насаждениями лука. С учетом морфологических признаков почву можно классифицировать как выщелоченный чернозем средней мощности слабо гумусированный сред-несуглинистый. Гумусово-аккумулятивные гори-
зонты Ап (0-33 см) и АВ (33-44 см) темно-серого цвета, рыхлые среднесуглинистые. Иллювиальный гор. В (44-54 см) светло-коричневый, плотный, среднесуглинистый. Глубже расположены подстилающие горизонты ВС и Ск желто-бурого оттенка, уплотненные, близкие к тяжелому суглинку. Гранулометрический состав чернозема представлен в таблице 1.
Из данных таблицы 1 следует, что чернозем в гумусовых горизонтах характеризуется как среднесуглинистый. В иллювиальном слое и почвообразующей породе его состав граничит с тяжелым суглинком. Для почвенного покрова, сформированного на лессовидных породах, характерно значительное количество крупно-пылеватой фракции (до 60-66%). В профиле выражено утяжеление грансостава с глубиной от 38 до 43%. Много илистых частиц, содержание которых увеличивается вниз по профилю с 17% в пахотном слое до 29% в гор. Ск. Чернозем хорошо структурирован, поскольку макроагрегаты в 20-сантиметровом слое составляют до 89%. В такой почве поверхностный сток незначителен, а наличие замкнутых пор снижает десукцию. В результате создается благоприятный водно-воздушный режим.
Из нее следует, что плотность сложения генетических горизонтов при переходе от пахотного слоя к почвообразующей породе увеличивается с 1,12 до 1,55 г/см3. Общая порозность значительна. В целом чернозем малогумусный.
В таблице 2 представлены водно-физические показатели чернозема. Их значения довольно высоки. Так, влажность завядания гумусового горизонта А составляет 11,1%, или 41 мм, а наименьшая влагоемкость - соответственно, 30% и 110,9 мм. В нижележащих слоях из-за их малой мощности эти величины гораздо ниже. Порозность аэрации при НВ обеспечивает хорошее поступление и распространение почвенного воздуха.
Наблюдения за формированием термического режима чернозема проводились с 2006 по 2007 гг. включительно. В таблице 3 представлены температуры пахотного слоя чернозема, в котором формируется корневая система лука [9].
Таблица 1
Фракции гранулометрического состава чернозема
Горизонт Глубина, см %
песчаная пылеватая <0,001 мм <0,01 мм
А 0-33 15,3 66,2 16,5 38,3
АВ 33-44 11,0 67,0 20,3 36,5
В 44-54 10,7 64,9 22,9 42,7
ВС 54-93 10,8 61,9 23,7 42,4
Ск >93 8,1 60,5 28,5 42,2
Таблица 2
Влажность завядания (ВЗ), влажность разрыва капиллярных связей (ВРК) и наименьшая влагоемкость (НВ) чернозема (числитель - % от массы, знаменатель - мм)
Горизонт Глубина, см ВЗ ВРК НВ Паэр, %
А 0-33 11,1 21,0 30,0 23,4
41,0 77,6 110,9
АВ 33-44 10,8 14,9 18,4 25,3 26,3 36,2 25,6
В 44-54 89 12,1 17,5 23,4 25,0 34,0 23,1
Как было отмечено выше, суточная сумма температур на данной глубине под луком складывалась из восьмикратных измерений. Из таблицы 4 следует, что в течение вегетации суммарная температура во всем 20-сантиметровом слое в 2006 г. постепенно снижалась. Так, на уровне 5 см в зоне расположения луковиц в конце июня она равнялась 167°С, в июле - 131°С, а в августе - только 115°С. Аналогичное падение прогревания отмечалось во всем пахотном слое, начиная с 818 и до 562°С, т. е. за лето оно снижалось на 46%. При этом по чистому пару почва имела более высокие температуры за счет сол-
нечной инсоляции (рис.). В июне эта разница составила 45°С, а в июле и августе - 19 и 15°С.
Таблица 3 Сумма суточных температур в пахотном слое чернозема в 2006 г.
Глубина, см 27/28.06 25/26.07 08/09.08
0 177 138 123
5 167 131 115
10 160 128 109
15 155 126 107
20 156 126 106
!Т 818 649 562
о
о
а.
27-28 июня
25-26 июля
□лук.
8-9 августа
Сроки наблюдений
Рис. Суммарная температура под луком и в паровом поле на глубине 5 см (2006 г.)
Особенности погоды, такие как температура воздуха и почвы, ее влагосодержание определили величины теплофизических коэффициентов чернозема (табл. 4). В то же время изменения тепло- и температуропроводности составляли от 10 до 15%, тогда как показатель тепло-аккумуляции колебался в диапазоне 25%.
Таблица 4 Относительная влажность (и), теплоемкость (Ср), температуро-и теплопроводность (а и А) верхнего горизонта чернозема под луковыми насаждениями, 2006 г.
Знание вертикальных градиентов температуры и теплофизических свойств чернозема дали возможность рассчитать величины теплопотоков в его верхнем слое (табл. 5).
Таблица 5
Теплопотоки (Р, Вт/м2) в профиле чернозема в течение суток и суммарные за сутки, 2006 г.
Максимальное количество тепла в 2006 г. поступало в почву с 10:00 до 13:00 ч. Так, в июне значения теплопотока в эти моменты времени составили 47,4 и 54,5 Вт/м2. В июле за счет прошедшего ночью дождя температура резко снизилась до 16°С, поэтому количество тепла упало до 10,6 Вт/м2. Его среднесуточный максимум в 2006 г. соответствовал 63,9 Вт/м2. В ночное время поток тепла менял направление на противоположное и выходил из почвы в атмосферу.
В 2007 г. процессы прогревания профиля чернозема оказались аналогичными предыдущему году и зависели от погоды. Среднесуточная сумма температур в пахотном горизонте 1617 июня оказалась равной 616°С, а 21-22 июля -852°С, поскольку воздух был прогрет до 30°С. В таблице 6 показаны результаты определения влажности и теплофизических свойств чернозема в 2007 г.
Уровень увлажнения летом был гораздо выше, чем в 2006 г., поэтому теплоемкость возрастала до 2,2 Вт/(м К), а температуропроводность соответствовала 0,5х10-6 м2/с и не менялась в течение лета. В результате среднесуточный поток тепла в июне составил 77,3 Вт/м, а в июле при меньшей теплоемкости - 53,9 Вт/м2 (табл. 7). Максимальное количество тепла отмечено в 10:00 ч.
В заключение нужно отметить, что тепловое состояние чернозема за годы исследований определялось погодными условиями. В то же время необходимо учитывать и антропогенное влияние, которое не было представлено в данной работе. При анализе урожайности мы отметили наиболее важные природные факторы, оказавшие первостепенное воздействие на урожайность лука репчатого. Нами проведен анализ, определяющий значимость изученных условий, а именно атмосферных осадков, влажности и температуры почвы, а также ее теплоемкости. Так, максимальное влияние на урожайность оказывал гидротермический коэффициент (ГТК) в первой половине вегетации. Распределение уровней урожайности в мае-июле имело параболическую зависимость с выраженным максимумом от 1,5 до 2,0. Отклонение от него снижало урожайность на 1-2 ранга. Информационно-логический анализ [10] показал высокую информативность суммы температур почвы в слое до 0-20 см. Она составила 0,48, что обеспечило значительный коэффициент эффективности канала связи. Слабее связь с урожайностью лука и содержанием влаги, которая не превышала 0,23. При этом оптимальную роль играла влажность почвы в пределах (20-30)%, а дальнейшее увеличение увлажнения снижало продуктивность культуры. Объемная теплоемкость также имела свою долю.
В итоге доля влияния гидротермического коэффициента оказалась равной 27%, суммы температур - 26, влагосодержания - 22 и объемной теплоемкости - 16%.
Срок 31.05 27.06 25.07
Ц % 18,8 13,5 23,5
Cp, 106 Дж/(м3'К) 1,9 1,7 2,1
а, 10-6 м2/с 0,6 0,6 0,5
А, Вт/(м-К) 1,1 1,0 1,1
НСР0ЭД=3,8%; НСР05(Ср)=0,7%; НСР05(а)=0,4%; НСР05(А)=0,5%
Время, ч 27/28.06 25/26.07 8/9.08
13:00 54,5 36,9 44,3
16:00 18,2 0,5 45,6
19:00 -29,4 -22,5 -23,9
1:00 -33,7 -33,7 -45,4
7:00 6,7 -9,0 6,8
10:00 47,4 18,5 26,9
I 63,9 10,6 54,4
Таблица 6
Относительная влажность (и), теплоемкость (Ср), температуро- и теплопроводность (а и Л) верхнего горизонта чернозема под луковыми насаждениями, 2007 г.
Срок 28.05 16.06 23.06 21.07 8.08
и % 20,9 23,1 26,4 16,4 14,8
Cp, 106 Дж/(м3-К) 2,0 2,1 2,2 1,8 1,7
а, 10-6 м2/с 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
А, Вт/(м-К) 1,1 1,1 1,1 1,03 1,0
НСР05(11)=3,0%; НСР05(Ср)=1,5%; НСР05(а)=0,3%; НСР05(а)=0,8%
Таблица 7
Теплопотоки (Р, Вт/м2) в профиле чернозема в течение суток и суммарные за сутки, 2007 г.
Время, ч 16-17.06 21-22.07
13:00 38,0 39,2
16:00 20,0 6,7
19:00 -15,3 -19,9
1:00 -28,5 -33,6
7:00 15,9 7,6
10:00 47,1 43,8
I 77,3 53,9
Выводы
1. В течение вегетации суммарная температура во всем 20-сантиметровом слое в 2006 г. снижалась. Так, на уровне 5 см в зоне расположения луковиц в конце июня она равнялась 167°С, в июле - 131°С, а в августе - только 115°С. Погодные факторы, такие как температура воздуха и почвы, ее влагосодержание определили величины теплофизических коэффициентов. При этом диапазон изменений тепло- и температуропроводности находился в пределах от 10-15, а теплоемкости - 25%.
2. Максимальное количество тепла в 2006 г. поступало в почву с 10:00 до 13:00 ч. В июле за счет дождливой погоды температура резко снизилась до 16°С, поэтому количество тепла упало до 10,6 Вт/м2. Его среднесуточный максимум за вегетацию составил 63,9 Вт/м2. В ночное время поток тепла менял направление на противоположное и выходил из почвы в атмосферу.
3. В 2007 г. процессы прогревания профиля чернозема оказались аналогичными предыду-
щему году и зависели от погоды. Среднесуточная сумма температур в пахотном горизонте в июне оказалась равной 616°С, а в июле - 852°С за счет высокой температуры воздуха.
4. Уровень увлажнения в 2007 г. был гораздо выше, чем в 2006 г., поэтому теплоемкость возрастала до 2,2 Вт/(м К), а температуропроводность соответствовала 0,5х10-6 м2/с и не менялась в течение лета. В результате среднесуточный поток тепла в июне составил 77,3 Вт/м, а в июле при меньшей теплоемкости - 53,9 Вт/м2.
5. Информационно-логический анализ показал, что максимальное влияние на урожайность оказывал гидротермический коэффициент (ГТК) в первой половине вегетации. На втором месте по значимости оказалась сумма температур почвы в слое до 0-20 см. Слабее связь урожайности лука с содержанием почвенной влаги и объемной теплоемкостью. В итоге доля влияния ГТК оказалась равной 27%, суммы температур - 26, влагосодержания - 22 и объемной теплоемкости - 16%.
Библиографический список
1. Беляков, М. А. Однолетняя культура лука репчатого в Алтайском крае / М. А. Беляков, С. В. Жаркова. - Текст: непосредственный // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию создания ГНУ ЗСООС ВНИИО. - Барнаул: Изд-во ВНИИО, 2007. - С. 306-310.
2. Болотов, А. Г. Измерение температуры почв в полевых условиях / А. Г. Болотов. -Текст: непосредственный // Антропогенное воздействие на лесные экосистемы: материалы II
Международной конференции. - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2002. - С. 148-150.
3. Болотов, А. Г. Электронный измеритель температуры почвы / А. Г. Болотов, С. В. Мака-рычев, Ю. В. Беховых. - Текст: непосредственный // Проблемы природопользования на Алтае: сборник научных трудов / АГАУ. - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2001. - С. 87-91.
4. Руководство по градиентным наблюдениям и определению составляющих теплового баланса. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1964. -120 с. - Текст: непосредственный.
5. Макарычев, С. В. Теплофизика почв: методы и свойства / С. В. Макарычев, М. А. Мазиров. - Суздаль: Изд-во ВНИИСС, 1996. - 231 с. -Текст: непосредственный.
6. Шуин, К. А. Производство овощей в Нечерноземье / К. А. Шуин, И. Т. Дудоров, П. С. Ми-ранцов. - Ленинград: Изд-во ЛСХИ, 1982. -С. 165-180. - Текст: непосредственный.
7. Гринберг Е. Г. Корнеплоды, лук репчатый / Е. Г. Гринберг. - Новосибирск: Изд-во НГАУ, 1992. - 215 с. - Текст: непосредственный.
8. Демина, Р. Ж. Режим орошения лука в дельте Волги / Р. Ж. Демина. - Текст: непосредственный // Картофель, овощные и бахчевые культуры. - 1983. - № 9. - С. 50.
9. Макарычев, С. В. Гидротермический режим чернозема выщелоченного при возделывании лука в условиях Алтайского Приобья / С. В. Макарычев, И. В. Гефке, А. И. Регер. - Текст: непосредственный // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2009. -№ 1. - С. 29-32.
10. Пузаченко, Ю. Г. Возможности применения информационно-логического анализа при изучении почвы на примере ее влажности / Ю. Г. Пузаченко, Л. О. Карпачевский, Н. А. Взнуздаев. - Текст: непосредственный // Закономерности пространственного варьирования свойств почвы и информационно-статистические методы их изучения. - Москва: Наука, 1970. - С. 103-121.
References
1. Beliakov M.A. Odnoletniaia kultura luka rep-chatogo v Altaiskom krae / M.A. Beliakov, S.V. Zharkova // Materialy mezhd. nauch.-prakt. konf., posviashchennoi 75-letiiu sozdaniia GNU ZSOOS VNIIO. - Barnaul, Izd-vo VNIIO, 2007. -S. 306-310.
2. Bolotov A.G. Izmerenie temperatury pochv v polevykh usloviiakh // Antropogennoe vozdeistvie na lesnye ekosistemy: Materialy II mezhd. konf. -Barnaul, Izd-vo AGAU, 2002. - S. 148-150.
3. Bolotov A.G. Elektronnyi izmeritel temperatury pochvy / A.G. Bolotov, S.V. Makarychev, Iu.V. Bekhovykh // Problemy prirodopolzovaniia na Altae: sb. nauch. tr. AGAU. - Barnaul: Izd-vo AGAU, 2001. - S. 87-91.
4. Rukovodstvo po gradientnym nabliudeniiam i opredeleniiu sostavliaiushchikh teplovogo balansa.
- Leningrad: Gidrometeoizdat, 1964. - 120 s.
5. Makarychev S.V. Teplofizika pochv: metody i svoistva / S.V. Makarychev, M.A. Mazirov. - Suzdal, Izd-vo VNIISS, 1996. - 231 s.
6. Shuin K.A. Proizvodstvo ovoshchei v Nechernozeme / K.A. Shuin, I.T. Dudorov, P.S. Mi-rantsov - Leningrad, Izd-vo LSKhI, 1982. -S. 165-180.
7. Grinberg E.G. Korneplody, luk repchatyi. -Novosibirsk, Izd-vo NGAU, 1992. - 215 s.
8. Demina R.Zh. Rezhim orosheniia luka v delte Volgi // Kartofel, ovoshchnye i bakhchevye kultury.
- 1983. - No. 9. - S. 50.
9. Makarychev S.V. Gidrotermicheskii rezhim chernozema vyshchelochennogo pri vozdelyvanii luka v usloviiakh Altaiskogo Priobia / S.V. Makary-chev, I.V. Gefke, A.I. Reger // Vestnik Altaiskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2009.
- No. 1. - S. 29-32.
10. Puzachenko Iu.G. Vozmozhnosti primene-niia informatsionno-logicheskogo analiza pri izuchenii pochvy na primere ee vlazhnosti / Iu.G. Puzachenko, L.O. Karpachevskii, N.A. Vznuz-daev // Zakonomernosti prostranstvennogo variro-vaniia svoistv pochvy i informatsionno-statisticheskie metody ikh izucheniia. - Moskva: Nauka, 1970. - S. 103-121.
+ + +
