Тепловой режим и тепловой баланс почвы.

Тепловой режим почвы - это совокупность и последовательность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла. Он характеризуется температурой на разных глубинах почвенного профиля, которая имеет суточный и годовой ход.

Суточный ход температуры почвы определяется зональным положением почвы, климатическими и погодными условиями, сезонностью, особенностями рельефа и растительного покрова;): составом и свойствами почв. Наиболее резко суточный ход выражен в пределах 50-см слоя. Максимальные температуры наблюдаются на поверхности днем, минимальные - ночью. С глубиной в профиле почв характерно запаздывание изменения температуры. Годовой ход температуры определяется, в первую очередь, климатическими условиями, имеет большую амплитуду и выражен на большую глубину, чем суточный. Наиболее резко годовой ход температур проявляется в пределах 3-4-х метровой толщи почвы и почвообразующих пород. На глубине 6 м колебания температур не превышают 1°С. Максимальные температуры почв с глубиной отстают от максимальных температур воздуха. Различия во времени могут достигать 2-3 месяцев. На годовой ход температур большое влияние оказывают растительный покров, высота снежного покрова, рельеф, хозяйственная деятельность. Замерзание почвы происходит после установления отрицательных температур воздуха и продолжается до января-февраля. Затем она постепенно оттаивает снизу за счет передачи тепла из нижних непромёрзших слоев. Иногда оттаивание снизу продолжается до схода снега, при этом талая вода проникает в почву. В другие годы, при раннем сходе снега, почва может оттаивать сверху и снизу, при этом в оттаявшем сверху слое образуется слой, насыщенный водой, и создаются условия для поверхностного стока и развития эрозионных процессов за счет талых вод. Для оценки теплообеспеченности почв и характеристики теплового режима используются следующие показатели: cyмма активных температур (более l0°C) в почве на глубине 20 см; сумма 182 отрицательных температур на глубине 20 см; средний из абсолютных минимумов температур на поверхности почвы; глубина промерзания почвы; глубина проникновения температур более 10°С(для лета) и др. показатели.

Сумма активных температур почвы (больше 10°С) на глубинен 20 см в тундре примерно на 100 ^оС ниже или соответствует сумме активных температур воздуха; в таежно-лесной зоне активные температуры почвы превышают температуры воздуха на 100-200 ^оС; в степной зоне - на ЗОО-500°С и в субтропиках - примерно на 1000оС. Для характеристики процессов трансформации солнечной энергии рассчитываются радиационный, тепловой балансы почвы и энергетический баланс почвообразования, которые, соответственно, учитывают приход - расход солнечной радиации, тепла и количество энергии, расходуемой на работу почвообразовательного процесса. Типы теплового (температурного) режима почв. В зависимости от динамики температуры почвы, длительности и глубины промерзания В.Н.Димо (1968) выделила 4 типа температурного ре­ жима почв. Мерзлотный - характерен для территорий с многолетней мерзлотой. Среднегодовая температура почв отрицательная. Сезонное замерзание и оттаивание прослеживается до верхней границы многолетнемерзлого слоя. Длительно-сезоннопромерзающий тип характерен для территорий с положительной среднегодовой температурой профиля почвы. Длительность промерзания - не менее 5 мес. Глубина промерзания - более 1 м. Сезонное промерзание не смыкается с многолетнемерзлыми породами, если они присутствуют. Сезоннопромерзающий тип характерен для территорий с положительной среднегодовой температурой профиля почвы. Глубина промерзания не более 2 м, длительность - от нескольких дней до 5 мес. Непромерзающий тип характерен для территорий, где температура на глубине 20 см в самом холодном месяце положительная. Промерзание почвы отсутствует, а отрицательные температуры почвы отсутствуют или держатся не более нескольких дней. Длительно - сезоннопромерзающий и сезоннопромерзающий типы температурного режима характерны для преобладающей части территории России, непромерзающий занимает небольшую площадь на Северном Кавказе и Черноморском побережье Кавказа. Регулирование теплового режима. Тепловой режим почв в пределах одного типа существенно различается в зависимости от положения в рельефе, экспозиции склона, вида сельскохозяйственных угодий, наличия мелиоративных систем (орошения, осушения) частоты и периодичности рыхления и др. В этой связи перспективно внедрение адаптивно-ландшафтных систем земледелия, в которых осуществляется подбор культур, наиболее приспособленных к условиям теплообеспеченности ландшафтов. В таежно-лесной и лесо­степной зонах мероприятия направлены на повышение теплообеспеченности сельскохозяйственных культур: снегозадержание, поливы теплой водой, мульчирование, дымовые завесы, гребневые и грядовые посевы, закрытый грунт (теплицы, парники). В южных районах орошение, кулисные посевы, лесополосы, мульчированис светлыми материалами предохраняют почву от перегрева. Тепловой баланс. Итак, взаимосвязанные процессы поступления радиационной энергии в виде прямой, рассеянной и отраженной радиаций, ее последующее превращение в тепловую на деятельной поверхности, расходующуюся на нагревание почвы (и растений), приземного слоя воздуха и эвапотранспирацию – вот основные процессы радиационного и теплового балансов на земной поверхности. Все эти процессы представлены на рис.XIV.1. Прямая, отраженная в видимом спектре, и длинноволновая радиации (инфракрасные) поступают на деятельную поверхность, а с деятельной поверхности излучается радиация в виде отраженной в видимом спектре и в виде тепловых лучей (инфракрасных). Результатом всех этих отражений-преобразований является радиационный баланс, In – большая стрелка, направленная либо внутрь (день), либоиз почвы в атмосферу (ночь). Формируется тепловой баланс почвы. Как мы уже знаем, баланс формируется для конкретного слоя и промежутка времени. Положительные составляющие баланс это все составляющие, имеющие направление к рассматриваемому слою, стремящиеся его «наполнить», отрицательные, напротив, его «опустошающие». В самом общем виде тепловой баланс будет выглядетььследующим образом:ь(Прямая солнечная радиация) + (Рассеянная солнечная радиация) + (Противоизлучение атмосферы) – (Отраженная солнечная радиация) – (Излучение почвой тепла) – (Конвективный нагрев приземного слоя атмосферы) – (Потери тепла на испарение и транспирацию) – (Поток тепла в почву) = 0. Первые пять членов этого расписанного баланса формируют радиационный баланс In. А три последних расходные: нагревание почвы и листовой поверхности растений Q приземного слоя воздуха s, нагревание Ha и испарение воды LE как про-изведение удельной теплоты испарения L (которая составляет примерно 585 кал/г Н2О) на количество испарившейся воды из почвы и из растений эвапотранспирацию, Е (г Н2О/(см2·сут)). Поэтому размерности всех составляющих теплового баланса те же, что и радиационного баланса кал/(см2·сут). Не забудем и еще одну составляющую – энергию, затраченную на фотосинтетические процессы, –QФАР, впрочем, как мы уже отмечали, весьма маленькую в сравнениис остальными. Поэтому нередко ее даже не указывают (впоследствии мы будем поступать так же) в уравнениях теплового баланса.

In -Qs - Ha - LE -QФАР =0. В этих уравнениях направление потоков тепла и соответственно знак указываются в зависимости от направления к поверхности: положительными будут все составляющие, имеющие направление к поверхности, а отрицательными – от нее. Это учтено в вышеприведенном уравнении теплового баланса. Оно характеризует дневные часы. А вот в ночные часы, как это видно на рис.XIV.1, составляющие имеют другое направление. Из глубины почвы к поверхности направлен внутрипочвенный поток. И величина Qs положительна, так же, каки Ha , так как турбулентный поток тепла может быть направлен вночное время к поверхности почвы. Эвапотранспирация в ночное время близка к нулю, а почва выделяет тепло в атмосферу радиационный баланс отрицателен. Таким образом, тепловой баланс в ночное время составит Qs - Ha - In - LE = 0. Это означает, что и радиационный баланс в ночное время отрицателен. Поэтому дважды в сутки основные составляющие теплового баланса (In, Qs, Ha) меняют свой знак и проходят через ноль. Теп-ловой баланс имеет периодический (но не симметричный) вид, как это и изображено на рис.XIV.2. Для летнего периода (рис. XIV.2, а) суточный радиационный баланс положителен большую часть суток, а вот зимой (рис. XIV.2, б) – в основном отрицателен. Это хорошо видно на рис. XIV.2: зимой значительно длительнее период отрицательных значений In, Qs. В результате почва остывает. Что следует из представленной схемы и уравнений радиационного и теплового баланса? Прежде всего, что все эти процессы формируются на деятельной поверхности и от ее характеристик зависят величины составляющих баланса. Изменяя их (например, величину альбедо α), мы можем существенно изменить соотношение стрелок поступающей и отраженной энергий и в результате – величину потока тепла, поступающего в почву. А это значит, что, изменяя свойства деятельной поверхности, можно весьма заметно изменить соотношение составляющих теплового баланса. Это особенно важно: именно почвенной поверхности принадлежит основная роль в прогреве приземного, жизненно важного слоя воздуха. Кроме того, соотношение статей теплового баланса поверхности будет существенным образом зависеть и от содержащейся влаги: больше влаги – больше составляющая LE, меньше тепла на нагрев почвы и приземного слоя воздуха. Значит, регулируя влажность почвы, мы регулируем и тепловой режим. Иссушая почву (дренаж), мы «согреваем» ее, а увлажняя, напротив, «охлаждаем». Эти два режима оказываются строго взаимосвязанными. Точнее – даже все три: ведь воздушный и газовый режимы также связаны с водным. Какие широкие возможности открываются нам в управлении почвенными процессами! Надо уметь изменять свойства деятельной поверхности (в нашем случае – поверхности почвы), увлажнять и иссушать ее, и будут соответственно изменяться водный, воздушный и тепловой режимы, которые формируют основы почвенного плодородия и функций почвы в биосфере. А для того чтобы управлять, надо уметь рассчитывать составляющие баланса, тепловые потоки. Для почвенных процессов наиболее важным оказывается внутрипочвенный поток тепла Qs.

Поиск по сайту: