5.3. Тепловые свойства почвы и регулирование теплового режима

Количество тепла в почве, а, следовательно, и ее температура изменяются даже в течение суток. То же можно сказать и об освещенности поверхности почвы. Изменчивость этих величин оказывает большое влияние как на ход почвообразовательного процесса, так и на условия роста и развития растений. От умения регулировать эти факторы зависят воспроизводство плодородия почвы и повышение урожайности культурных растений.

Тепловой режим почвы включает совокупность поступления и отдачи тепла почвой, его передвижения в ней и все изменения температуры почвы.

Источник тепла в почве – лучистая энергия солнца; тепло, получаемое от воздуха; тепло, образующееся в результате разложения органических остатков; внутреннее тепло земного шара; тепло от радиоактивных процессов, происходящих в почве. Из пяти источников тепловой энергии последние три настолько малы, что ими можно пренебречь. Количество тепла, получаемого почвой от воздуха, также невелико и может иметь существенное значение лишь в отдельных случаях, например при вторжении теплых воздушных масс. Таким образом, наиболее важный источник тепла – лучистая энергия солнца.

Основные тепловые свойства почвы – теплопоглотительная способность, теплоемкость, теплопроводность, теплоиспускательная способность.

Теплопоглотительная способность почвы. Проявляется в поглощении почвой лучистой энергии солнца. Одновременно происходит отражение энергии от поверхности почвы.

Поглотительную способность почвы обычно характеризуют величиной альбедо, которая показывает, какую часть поступающей лучистой энергии отражает почва. Альбедо зависит от цвета почвы, ее структурного состояния, влажности и выровненности поверхности, а также от особенностей растений, цвета листьев и стеблей. Высокогумусированные почвы (черноземы) поглощают лучистой энергии на 10–15% больше, чем малогумусированные, так же, как и глинистые по сравнению с песчаными.

Альбедо орошаемых участков на 5–11% ниже, чем сухих, альбедо чистого сухого снега 88–91%, мокрого – 70–82%.

Теплоемкость почвы. Различают весовую и объемную теплоемкости почвы. Весовая теплоемкость – количество тепла в джоулях, затрачиваемое на нагревание 1 г почвы на 1°С Объемная теплоемкость – количество тепла в джоулях, затрачиваемое для нагревания 1 см³ почвы на 1ºС.

Теплоемкость зависит от минералогического, гранулометрического составов и влажности почвы, а также содержания в ней органического вещества. Например, у кварцевого песка весовая теплоемкость меньше, чем у торфа. Весовая и объемная теплоемкости воды равны 1.

Глинистые почвы отличаются большой влагоемкостью и весной медленно прогреваются, поэтому их называют холодными. Легкие по гранулометрическому составу почвы (песчаные, супесчаные) весной прогреваются быстрее; они получили название теплых.

Чем гумусированнее почва, тем она более теплоемка. Теплоемкость рыхлых почв значительно выше теплоемкости плотных почв.

Теплопроводность почвы. Это способность почвы проводить тепло. Она измеряется количеством тепла в джоулях, которое проходит за 1 с через 1 см³ почвы.

На величину теплопроводности влияют химический и гранулометрический составы, влаж-ность, содержание воздуха, плотность и температура почвы. Например, теплопроводность воздуха составляет 0,000252 Дж на 1 см³/с, а торфа и гранита – соответственно 0,00113 и 0,03444 Дж.

В сухом состоянии почвы, богатые гумусом и обладающие высокой порозностью аэрации, очень плохо проводят тепло.

Теплопроводность твердой фазы примерно в 100 раз больше теплопроводности воздуха. Поэтому рыхлая почва менее теплопроводна, чем плотная. При повышении плотности с 1,1 до 1,6 г/см³ теплопроводность уменьшается в 6 раз. При равных условиях более влажная почва более теплопроводна, чем сухая. При увеличении влажности почвы с 0,1 до 25–30% теплопроводность увеличивается в 5 раз.

Для оценки быстроты выравнивания температуры различных горизонтов почвы используют понятие температуропроводность. Ее определяют изменением температуры в 1 см³ почвы в результате поступления в нее некоторого количества тепла, протекающего за 1 с через 1 см² поперечного сечения при разности температур, равной 1°С на расстоянии 1 см.

Теплоиспускательная способность почвы. Это способность почвы выделять тепловые лучи. Она зависит от состояния почвы, поверхности, степени ее увлажнения.

Минеральные почвы благодаря большей теплопроводности лучше излучают тепло, чем торфянистые.

Влажные почвы из-за большой теплоиспускательной способности воды выделяют значительно больше тепловых лучей, чем сухие. Почвы с гладкой поверхностью отличаются меньшей теплоиспускательной способностью по сравнению с шероховатыми.

Количество поступающей на поверхность почвы лучистой энергии подчинено суточной и годовой периодичности. Такую же периодичность наблюдают и в изменении температуры поверхности почвы.

В суточном цикле поверхность почвы нагревается с восхода солнца до 14 ч, после 14 ч она начинает охлаждаться. В годовом цикле она нагревается с марта до июля, а затем охлаждается.

Огромное влияние на температурный режим почвы оказывает снеговой покров. Снег – плохой проводник тепла, поэтому он уменьшает излучение его из почвы в отдачу в атмосферу, т.е. уменьшает охлаждение почвы.

Тепловой режим почв зависит от рельефа местности. Экспозиция склонов и их крутизна определяют разницу в количестве тепла, получаемого от солнечной радиации. Почвы на южных, юго-западных и юго-восточных склонах прогреваются лучше, чем на северных, северо-западных и северо-восточных склонах и выровненных пространствах.

Почвы, покрытые растительностью (озимые, травы, лес и т.д.), промерзают меньше, чем непокрытые (без растительности). В разных почвенно-климатических зонах складываются различные температурные режимы почв. В зависимости от характера промерзания и величины среднегодовой температуры выделяют 4 типа температурного режима: мерзлотный, длительно сезоннопромерзающий, сезоннопромерзающий, непромерзающий.

Мерзлотный. Характерен для областей с вечной мерзлотой. Нагревание почвы сопровождается ее протаиванием, а охлаждение – промерзанием до верхней границы многолетнемерзлого грунта. Среднегодовая температура почвы и температура почвы на глубине 0,2 м самого холодного месяца отрицательные.

Длительно сезоннопромерзающий. Процесс нагревания в начальной стадии сопровождается оттаиванием, а процесс охлаждения – глубоким промерзанием. Длительность промерзания не менее 5 мес. Глубина проникновения отрицательных температур превышает 1 м. Среднегодовая температура обычно положительная. Температура на глубине 0,2 м самого холодного месяца отрицательная.

Сезоннопромерзающий. Процесс нагревания вначале сопровождается оттаиванием, а процесс промерзания – неглубоким промерзанием. Глубина проникновения отрицательных температур не более 2 м. Длительность сезонного промерзания от нескольких дней до 5 мес. Температура на глубине 0,2 м самого холодного месяца отрицательная. Среднегодовая температура положительная.

Непромерзающий. Промерзание не наблюдается. Отрицательные температуры почвы отсутствуют или держатся несколько дней. Температура на глубине 0,2 м самого холодного месяца положительная.

Температурный режим почвы непосредственно влияет на развитие растений. Это особенно сказывается на скорости роста корневой системы.

Отдельные сельскохозяйственные культуры по-разному реагируют на температурный режим почвы. Так, наибольшая масса клубней картофеля образуется при температуре, не превышающей 15–20 °С.

Разные культуры требуют для прорастания семян неодинаковое количество тепла.

Тепловые условия оказывают большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов и, следовательно, на обеспеченность растений элементами минерального питания, скорость разложения органического вещества, синтез гуминовых веществ и т.д.