Тепловые свойства почв

Приток лучистой солнечной энергии к поверхности почвы зависит от широты и рельефа местности, состояния поверхности почвы (покрытие растительностью), а также времени года и суток и состояния атмосферы (ясно, пасмурно и пр.). В Северном полушарии суммарный приток солнечной радиации увеличивается при движении с севера на юг. Наибольший приток солнечной радиации получают южные склоны, наименьший — северные.

Наряду с условиями, определяющими приток солнечной энергии, важное значение в формировании теплового режима почвы (поглощение тепла, нагревание и охлаждение) имеют тепловые свойства почвы. К тепловым свойствам почвы относятся теплопоглотительная способность, теплоемкость и теплопроводность.

Теплопоглотителъная способность — способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца. Она характеризуется величиной альбедо (А). Альбедо — количество коротковолновой солнечной радиации, отраженной поверхностью почвы и выраженное в % общей величины солнечной радиации, достигающей поверхности почвы. Чем меньше альбедо, тем больше поглощает почва солнечной радиации. Оно зависит от цвета, влажности, структурного состояния, выравненности поверхности почвы и растительного покрова. Приведем альбедо (%) различных почв, пород и растительных покровов (Чудновский, 1959): чернозем сухой —14, чернозем влажный — 8, серозем сухой — 25—30, серозем влажный — 10—12, глина сухая — 23, глина влажная — 16, песок белый и желтый — 30—40, пшеница яровая — 10—25, пшеница озимая — 16—23, травы зеленые — 26, травы высохшие — 19, хлопчатник — 20—22, рис — 12, картофель — 19.

Темно-каштановая почва (черноземы и др.) поглощает больше солнечной радиации, чем светло-каштановые (подзолистые, сероземы и др.); влажная — больше, чем сухая.

Теплоемкость — свойство почвы поглощать тепло. Характеризуется количеством тепла в джоулях (калориях), необходимого для нагревания единицы массы (1 г) на 10⁰C — весовая (или удельная) теплоемкость или объемная — в 1 см³ на 1⁰С; зависит от минералогического, гранулометрического составов, содержания органического вещества, влажности, пористости почвы и содержания воздуха. Теплоемкость воды равна 1000 кал, торфа —0,477, глины—0,233 и песка —0,196 кал.

Из этих данных видно, что вода — наиболее теплоемкий компонент почвы по сравнению с минеральными и органическими ее частями. Поэтому для повышения температуры влажной почвы требуется больше тепла, чем для сухой. Влажные почвы медленнее нагреваются и медленнее охлаждаются, чем сухие. Глинистые почвы как более теплоемкие во влажном состоянии нагреваются весной медленнее по сравнению с песчаными. Осенью при большем увлажнении они медленнее охлаждаются и становятся теплее песчаных. В связи с этим, изменяя влажность и пористость почвы поливами и обработкой, можно в определенных пределах регулировать температуру почвы.

Теплопроводность — способность почвы проводить тепло. От нее зависит скорость передачи тепла от одного слоя к другому, а, следовательно, и способность почвы быстрее или медленнее нагреваться или охлаждаться в определенной толще ее профиля. Она измеряется количеством тепла в джоулях (калориях), которое проходит за 1 с через 1 см² слоя почвы толщиной в 1 см. Отдельные составные части почвы имеют разную теплопроводность. Минимальной теплопроводностью обладает воздух (0,00006 кал), затем торф (0,00027 кал) и вода (0,00136 кал). Теплопроводность минеральной части почвы в среднем в 100 раз выше, чем воздуха, и в 28 раз, чем воды.

Поскольку в почве наряду с ее твердой (органической и минеральной) фазой в порах присутствуют воздух и вода, то теплопроводность сильно зависит от влажности почвы и содержания в ее порах воздуха. Поэтому чем влажнее почва, тем выше ее теплопроводность, а чем рыхлее, тем ниже.

Тепловой режим почвы

Совокупность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла называют тепловым режимом почвы. Основным показателем теплового режима почвы, который характеризует ее тепловое состояние, является температура генетических горизонтов почвенного профиля.

Поскольку приток лучистой солнечной энергии связан с его суточными и годовыми ритмами, то и для температуры почвы характерны суточные и годичные закономерности ее изменения.

Суточный ход температуры. Днем поверхность почвы нагревается, и максимальная ее температура наблюдается около 13 ч. Затем происходит постепенное охлаждение почвенной поверхности, и минимум ее температуры отмечается перед восходом солнца. По мере нагревания поверхности почвы происходит передача тепла и в более глубокие слои. При этом наиболее быстро изменяется температура на поверхности почвы. С глубиной скорость этих изменений заметно уменьшается в связи со слабой теплопроводностью почвы. Поэтому максимум и минимум суточных температур на разных глубинах профиля почвы наступают в разное время, в среднем отмечено запаздывание на 2—3 ч на каждые 10 см глубины профиля.

Наибольшие суточные колебания температуры происходят на поверхности почвы, а с глубины 3—5 см они уже резко уменьшаются.

Годовой ход температуры. Годовой ход температуры имеет два периода: летний — период нагревания почвы с потоком тепла от верхних горизонтов к нижним и зимний — период охлаждения почвы с потоком тепла от нижних слоев профиля к верхним. Амплитуды колебаний температуры почвы между этими периодами определяются условиями атмосферного климата и свойствами почв. В умеренных широтах максимум среднесуточной температуры почвы наблюдается обычно в июле — августе, а минимум — в январе — феврале. Летом самая высокая температура отмечается в верхних горизонтах, с глубиной она снижается. Зимой нижние слои профиля имеют более высокие температуры. На годовые изменения температуры почвы большое влияние оказывает растительность, предохраняя поверхность почвы от резких колебаний температуры.

В регионах со снежными и холодными зимами сильное влияние на температурный режим оказывают промерзание, оттаивание почвы, мощность и продолжительность снежного покрова.

Почва начинает промерзать при температуре несколько ниже 0⁰С, поскольку в почвенном растворе содержатся растворимые вещества, понижающие температуру замерзания. На замерзание почвы влияют снежный и растительный покровы, рельеф местности, свойства почвы, ее влажность, а также хозяйственная деятельность человека.

Снежный покров предохраняет почву от промерзания: чем он больше, рыхлее и длительнее сохраняется, тем больше утепляет почву и снижает глубину ее промерзания. Сохранение и накопление снега имеет большое значение в предохранении от вымерзания посевов озимых, многолетних трав и посадок плодово-ягодных культур.

Растительный покров, задерживая и накапливая снег, ослабляет промерзание почвы.

Рельеф влияет на накопление снега и увлажнение почвы. Поэтому наибольшую глубину промерзания почвы наблюдают на выпуклых формах рельефа и наветренных склонах, где сдувается снег. Накопление снега в понижениях (лощинах, западинах) способствует меньшему промерзанию почвы. Глубже промерзают склоны северной экспозиции, а на меньшую глубину — южной. Чем влажнее почва, тем меньше она промерзает. При промерзании почвы идет подток парообразной и жидкой влаги к фронту промерзания. Замерзание почвы начинается до или после установления снежного покрова и продолжается до января — февраля. Затем она начинает постепенно оттаивать снизу за счет передачи тепла от нижних незамерзших слоев.

Влияние деятельности человека на промерзание почвы связано с применением растительного покрова (вырубка или посадка древесно-кустарниковой растительности, сохранение травянистой растительности и т. д.), что сказывается на накоплении снега или существенном изменении увлажнения (орошение, осушение).

Оттаивание почв происходит двумя способами. В первом оттаивание идет снизу и заканчивается до схода снега. При этом мерзлая прослойка исчезнет у поверхности почвы; талая вода в этом случае лучше проникает в почву. Во втором оттаивание начинается снизу, а затем одновременно и сверху, и снизу. В этот период мерзлая прослойка почвы сохраняется на некоторой глубине, что приводит к значительной потере воды и смыву почвы за счет поверхностного стока.

Для оценки теплообеспеченности почв как важной обобщающей характеристики их температурного режима используют сумму активных температур (>10⁰C) в почве на глубине 20 см. Здесь расположена главная масса корней многих растений. Рост корневых систем растений активно происходит при температуре почвы выше 10⁰С.

Теплообеспеченность почв основных зон страны снижается с запада на восток. В земледельческих районах таежно-лесной зоны она колеблется от нижесредней (Западная и Средняя Сибирь) до вышесредней (Приморье), в лесостепной — от нижесредней до хорошей, в степной — от средней (Восточная Сибирь) до весьма хорошей (Предкавказье), в зоне сухой степи — от хорошей до весьма хорошей. Наилучшая теплообеспеченность у почв сухих и влажных субтропиков.

Для оценки температурного состояния почв и возможности выращивания культур, различных по требовательности к теплу, важное значение имеют также показатели суровости зимних почвенных условий. Такими показателями являются сумма отрицательных температур на глубине 20 см и средний из абсолютных минимумов температур на поверхности почвы. По этим показателям выделяют почвы: теплые, умеренно теплые, умеренные, умеренно холодные, холодные, мерзлотные и длительно сезоннопромерзающие. Учет показателей теплообеспеченности и суровости зимних почвенных условий необходим при районировании сортов сельскохозяйственных культур, разработке агротехнических и мелиоративных мероприятий.