Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ ПОД ЯГОДНЫМИ КУЛЬТУРАМИ В САДАХ АЛТАЙСКОГО ПРИОБЬЯ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ ПОД ЯГОДНЫМИ КУЛЬТУРАМИ В САДАХ АЛТАЙСКОГО ПРИОБЬЯ"

с4-ЗШ1

На правах рукописи

ЛЕВИН Алексей Анатольевич

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ ПОД ЯГОДНЫМИ КУЛЬТУРАМИ В САДАХ АЛТАЙСКОГО ПРИОБЬЯ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведсние, агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Барнаул-2003

Работа выполнена в Алтайском государственном аграрном университете

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация;

доктор биологических наук, профессор С. В. Макарычев

доктор биологических наук, профессор Я М. Татаринцев, кандидат сельскохозяйственных наук, Михайлова Н. В.

Владимирский НИИСХ

Защита состоится « /X »2001 г. в 9 часов на заседании диссертационного Совета Д720.002.01 в Алтайском государственном аграрном университете

Адрес: 656099 г. Барнаул, пр-кт Красноармейский, 9$ " Факс (3552) 38-06-52 Е-таП: газзлоа! @ а!шк- altai.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного аграрного университета

Автореферат разослан » 2003 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения просим направлять в АГАУ ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор СУ В. А. Рассыпнов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Ягоды и фрукты - обязательная составная часть рациона человека. Они обеспечивают наш организм такими важными веществами, как легкоусваи-ваемые углеводы, витамины, органические кислот, ароматические и минеральные соединения. Кроме того, они обладают лечебными свойствами, способствуют укреплению здоровья и повышению трудоспособности.

В то же время плодово-ягодные культуры весьма требовательны к условиям произрастания и, в первую очередь, к почве и ее плодородию, а именно к обеспеченности элементами питания и гранулометрическому составу, определяющему водно-физические свойства и поглотительную способность почвы.

Одним из непременных условий повышения почвенного плодородия н получения высоких и устойчивых урожаев ягодных культур является создание оптимальных агрофизических свойств и гидротермических режимов в почвенном профиле.

Именно тепло и влага определяют интенсивность окислительно-восстановительных процессов, пищевого режима, жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, отвечают за рост и развитие корневой системы, а, в конечном счете, за урожай.

В то же время тепловые потоки и движение влаги зависят от совокупности тешюфизичесхих свойств и распределения температурных полей в почве. К тепло физическим свойствам относятся объемная теплоемкость, тепло- и температуропроводность почвы.

В садоводстве Алтайского края на сегодняшний день отсутствуют сведения о процессах формирования теплофнзического состояния почв. Поэтому комплексные исследования тепловых свойств почвы и гидротермических режимов во взаимосвязи с агротехникой выращивания ягодных культур весьма актуальны.

Более полное познание закономерностей формирования и проявления теплового режима в почвах садов Сибири с учетом изменения их arpo- и тепло-физических свойств, характера напочвенного покрова очень важно в связи с необходимостью разработки научно обоснованных зональных систем и приемов по направленному регулированию мерзлотным и гидротермическим режимами почв в течение всего года.

Иель работы

Изучить теплофизические свойства и гидротермические режимы в черноземах выщелоченных под различными ягодными культурами.

Задачи исследований

1)определить теплофизические характеристики черноземов выщелоченных в специфических условиях многолетних ягодных насаждений

2)изучить суточные и годичные температурные циклы и теп-лопотоки в генетических горизонтах черноземов выщелоченных в садах Алтайского Приобья в зависимости от агрофона.

Объект и методика исследований

Исследования проводились в НИИ садоводства им. М. А. Лисавенко на участках сортоиспытания. Объектом исследований являлись черноземы выщелоченные под различными ягодными культурами.

Определение физико-механических и водно-физических свойств почв, а также полевые опыты были проведены в соответствии с принятыми в arpo-почвоведении и агрохимии методиками. Результаты исследований обрабатывались с помощью современных ЭВМ.

Научная новизна

Впервые экспериментально определены физические н теплофизические свойства черноземов выщелоченных в условиях сада. Также впервые изучено формирование годичного цикла температурного и гидротермического режимов почвы под различными агроценозами ягодных культур.

Выполненные исследования позволили получить целостную картину те-плофизического состояния почвенного профиля под различными ягодными культурами, оценить степень воздействия той или иной культуры на температурные режимы и теплопотоки в почве.

Защищаемые положения

- поступление, аккумуляция и расход теплз, а также температурный режим в почве зависят от ее arpo- и теплофизичсских свойств и особенностей растительного покрова

Практическая значимость

Выявленные особенности формирования гидротермического режима в черноземах выщелоченных, под изученными культурами позволяют оценить и прогнозировать характер и степень изменения теплофизических свойств и особенностей теплообмена по профилю почвы и их влияние на жизнедеятельность ягодных культур.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на научно-практических конференциях Алтайского государственного аграрного университета (г. Барнаул, 2002,2003 гг), II Международной конференции «Антропогенное воздействие на лесные экосистемы (г. Барнаул, 2002),

Публикации

Основные результаты исследований опубликованы в 9 статьях, а также в книге «Теплофизические свойства и режимы в антропогенно - нарушенных почвах». Объем публикаций автора составляет 0,8 п. л.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 120 страницах печатного текста, включая 19 таблиц, 30 рисунков, 6 приложений. Список использованной литературы включает 150 источников, в том числе 12 на иностранных языках.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Макарычеву С. В. за постоянное внимание, поддержку н помощь при подготовке рукописи, а также благодарен А. Г. Болотову и Ю. В. Беховых за их помощь при проведении исследований.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Атмосферный климат оказывает сильное влияние на формирование в почве температурных полей. В то же время значительное место в этом процессе принадлежит теплофизическим характеристикам почвы: объемной теплоемкости, тепло - и температуропроводности.

В нашей стране наибольший вклад в изучение теплофизических свойств почв внес А. Ф. Чудновский. Он со своими сотрудниками разработал некоторые экспериментальные методы определения термических свойств почв (Чудновский, 1947, 1948; Каганов, 1952; и др.), которые послужили основой для развития дальнейших исследований.

Многие исследователи посвящали свои работы установлению функциональных зависимостей тешюфизических коэффициентов от основных физических свойств почвы: влажности, плотности, пористости, гранулометрического состава, температуры(Панфилов, Макарычев, Лунин и др., 1981; Макарычев, 1996; Тигзкг, МаПуп, 1975; н др.)

Вопросам распределения тешюфизических показателей по генетическим горизонтам в почвах различного типа посвящается ряд работ (Макарычев, Татаринцев и др., 1986; Иваничкин, 1993; Мазиров, Макарычев, 2002; и т. д.). В них также подробно рассматривается влияние различных физических свойств на теплофизнческие характеристики почвы.

Для определения теплофизических характеристик почвы используются две основные группы методов: расчетные и экспериментальные. Расчетные методы можно использовать для приближенного изучения процессов теплопередачи в почве, т. к. в некоторых из них суточные и годовые температуры считаются гармоническими, а в других не учитывается изменение плотности и влажности реальной почвы. Кроме того, при использовании расчетных методов не рассматривается влияние фазовых превращений влаги на теплофизнческие свойства.

В более перспективных, экспериментальных методах определения теплофизических характеристик почвы идет деление на две группы: стационарные и нестационарные методы

В основе стационарных методов лежат закономерности постоянного во времени температурного поля. Тепловой поток, проходящий через исследуемый объект, в этом случае остается постоянным по величине и по направлению. При этом температурный градиент в объеме всего образца не меняется.

Более простыми и чаще применяемыми в настоящее время являются нестационарные методы определения теплофизических коэффициентов, основанные на закономерностях нестационарного теплового потока.

Третью разновидность экспериментальных методов определения тепло-физических коэффициентов образуют импульсные (методы мгновенного и равномерно действующего источника тепла).

При определении теплофизическкх характеристик с помощью импульсных методов используются закономерности выравнивания температурного поля в неограниченной среде после прекращения действия источника тепла.

Несмотря на то, что изучение теплофизического состояния почвы велось достаточно активно, многие области почвенной теплофизики остались недостаточно изученными. Мало информации по влиянию различных культур на тепловые свойства почвы (Порхаев, 1956; Панфилов, Макарычев и др., 1981), хотя влияние это может быть довольно существенным и неодинаковым в зависимости от характера развития и мощности корневой системы той или иной культуры.

В связи с этим нами предприняты дальнейшие шаги в изучении теплофизического состояния почв на примере черноземов выщелоченных под различными плодово - ягодными культурами (НИИ садоводства им. М. А, Лисавен-ко).

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Почвенно-физические факторы оказывают значительное влияние на теп-лофизические показатели почвы: объемную и удельную теплоемкости, тепло-и температуропроводность.

Алтайские черноземы Приобского плато в связи с резкой континентам ь-ностью климатических условий отличаются небольшой мощностью, сравнительно невысокой гумусностью, слабой водопрочной структурой (Герасимов идр„ 1963).

Анализ почвенного разреза на опытном участке показал, что исследуемая почва является черноземом выщелоченным среднесуглинистым малогумус-ным среднемощиым (Михайлова, 1993).

Гумусовый горизонт (А+АВ) простирается до глубины (64-68) см, при этом содержание гумуса в слое 0-30 см составляет всего (3,3-3,8)%.

Порозность пахотного слоя опытного участка составляет (49-54)%, что свидетельствует о слабовыраженной структурности почвы. С увеличением глубины происходит уменьшение порозности до (41-42)%. Колебания плотности выщелоченного чернозема в пахотном слое на опытном участке лежат в пределах от 1,19 до 1,27 г/смэ.

Исследованный чернозем выщелоченный имеет суглинистый гранулометрический состав. Содержание глинистых частиц в слое 0-20 см при этом близко к 36 %.

Водно - физические постоянные чернозема, такие как НВ, ВЗ снижаются при переходе от гумусового слоя к почвообразующей породе и имеют достаточно высокие значения, особенно в пахотном горизонте (26,4% и 8,6% соответственно).

От почвенно-физнческих факторов зависит весь комплекс теплофнзиче-скнх показателей почвы: объемная и удельная теплоемкости, тепло- и температуропроводность, который, в свою очередь, определяет деятельность микроорганизмов и почвенной фауны, прорастание семян и рост растений, процессы обмена энергией и др.

Нами велись наблюдения на участках, занятых таким» ягодными культурами, как земляника, смородина черная и жимолость. Данные культуры являются одними из наиболее распространенных на территории Алтайского края. Кроме этого изучалось распределение теплофизических коэффициентов в черном пару по генетическим горизонтам.

Исследования теплофизических свойств чернозема выщелоченного в лабораторных условиях проводились с помощью автоматизированной установки, разработанной на кафедре физики АГАУ (Болотов, 2003), на почвенных образцах, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда размерами 100x100x200 мм, в центральной части которых размещался источник тепла, а на расстоянии 8-10 мм от него, датчик температуры.

Для определения теплофизических коэффициентов почвы в естественных условиях нами применялся портативный прибор для измерения ТФХ почв.

При проведении измерений зонд вводился в почву и выдерживался там в течение нескольких минут, для установления теплового равновесия с почвой. Затем включался нагреватель, и измерялась температура в два момента времени Т| и %2 после нагрева. Где Т) -начало нестационарного температурного хода; т2- окончание нестационарного температурного хода; т1 и т2 находятся экспериментально. Для построения термограммы температура записывалась через каждые 3 с, Данный прибор дал возможность оперативно измерить теплопроводность, температуропроводность н теплоемкость почвы в данный момент времени и вести длительные сезонные наблюдения на больших площадях или в почвенной толще.

Для изучения температурных режимов, формирующихся в почвенном профиле, и последующего определения теилопотоков был разработан и изготовлен полевой почвенный электротермометр (Болотов, Лёвин, и др., 2002). В

данном приборе датчики температуры размещены на текстолитовом стержне диаметром 10 мм и длиной 300 мм через каждые 50 мм.

Термометр позволяет оперативно исследовать тепловой режим почв во времени и в пространстве. При этом измеряется температура верхнего двадцатисантиметрового слоя через каждые 5 см с целью последующего расчета теплопотоков в почве. Также имеется возможность измерять температуру более глубоких слоев почвы. Термометр можно использовать как на пару, так и под различными агроценозами.

Глава III. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Климат зоны резко континентальный, он характеризуется жарким, коротким летом и холодной зимой, а также поздними весенними и ранними осенними заморозками.

Анализ данных метеостанции НИИ садоводства им. М. А. Лисавеико позволяет охарактеризовать климатические условия за время наблюдений

В агроклиматическом отношении растения за 2001-2003 гг. наблюдений достаточно хорошо обеспечивались теплом; сумма средних суточных температур воздуха выше 10 °С в течение вегетационного периода в 2001 году составила 2570 СС, а в 2002 году оказалась равной 2445 °С. При этом суммарное количество осадков за то же время равнялось 190,8 мм и 228,9 мм соответственно.

По сравнению с зимой 2001-2002 гг., когда суммарная температура за период с декабря по февраль составила -966,1°С, зима 2002-2003 гг. характеризовалась суммой температур равной -1274,бвС.

По количеству осадков годы исследований также существенно отличаются друг от друга: в период с мая по сентябрь 2001 года выпало 190,S мм, а в 2002 году в те же месяцы сумма осадков составила 228,9 мм.

Большое влияние на жизнедеятельность растений и свойства почвы оказывает снежный покров. Максимальная высота его в течение зимнего периода во все годы наблюдений отмечалась в феврале. Характерно также то, что снег ложился в конце октября - ноябре, а полностью сходил к концу апреля.

При возделывании ягодных культур в условиях довольно сурового сибирского климата для получения высоких урожаев огромное значение имеет агротехника возделывания растений. Она включает в себя не только подготовку крепкого и здорового посадочного материала, необходимую предпосадочную обработку почвы, но и дальнейший уход за самой культурой.

Например, псслепосадочный уход за жимолостью заключаелся в содержании почвы междурядий чистой от сорняков и в рыхлом состоянии, т. е. по

системе черного пара. В течение вегетационного периода, по мере появления сорняков, осуществлялась междурядная обработка почвы культиваторами, при этом глубина вспашки не превышала 4 - 5 см. С целью накопления талых вод в весенний период, производилась осенняя вспашка до глубины 8-10 см.

Для обработай междурядий смородины использовался плоскорез, причем трактор оборудовался специальным ограждением и, при проходе агрегата, ветви растений приподнимались. В течение вегетационного периода междурядья содержались по системе черного пара. В дождливое лето количество культивацнй увеличивалось, а когда лето умеренно жаркое при снижении осадков - уменьшалось.

Агротехника ухода за насаждениями земляники складывалась из поддержания почвы в чистом и рыхлом состоянии, поливов, внесения удобрений, удаления усов. В течение вегетационного периода проводилось от б до 10 рыхлений почвы, причем первые два с минимальным заглублением.

Для обеспечения растений влагой производилось от 3 до 5 поливов в течение вегетации по 200 м3/га по мере иссушения. Малая норма полива обусловлена тем, что при увеличении нормы полива происходит заплывание почвы, её смыв, что губительно сказывается на растениях земляники.

Своевременное удаление усов земляники, на долю которых приходится наибольший вынос питательных веществ, позволяет увеличить урожайность и повысить зимостойкость растений. Осуществлялось удаление усов с помощью культиватора КРН - 4,2, на который устанавливались дисковые ножи.

В случаях, когда высота снежного покрова недостаточна, для обеспечения благоприятных условий перезимовки растений применялись дополнительные меры по снегонакоплению.

Глава IV. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА В УСЛОВИЯХ САДА

При проведении лабораторных исследований нами изучалось изменение теплоемкости, температуропроводности и теплопроводности в зависимосто от увлажнения почвы и плотности её сложения.

Объемная теплоемкость исследованной почвы для абсолютно сухого состояния растет при перемещении от пахотного слоя вглубь. Такое поведение, прежде всего, обусловлено изменением плотности сложения почвенного профиля. Из таблицы 1 видно, что при одинаковой степени увлажнения почвенной толщи наименьшие значения объемной теплоемкости наблюдаются в пахотном слое, а с глубиной закономерно увеличиваются. Кроме того, при

малых влажностях почвы (МГ, ВЗ) темп увеличения с глубиной выражен сильнее. С ростом влажности почвы происходит выравнивание теплоемкости по профилю.

Таблица 1

Теплофизические коэффициенты выщелоченного чернозема при влажности равной гидрологическим константам (% от массы) и для сухого состояния.

10-20 см

Сухая МГ ВЗ ВРК НВ

а,10~" м^/с 0,34 0,461 0,489 0,543 0,524

ср,1& Дж/м3-К 1,34 1,67 1,78 2,33 2,71

Д, Вт/м-К 0,456 0,78 0,88 1,25 1,43

20-30 см

сухая МГ ВЗ ВРК НВ

а,м7с 0,305 0,436 0,467 0,532 0,528

сдЮ6 Дж/м3,К 1,39 1,71 1,82 23 2,64

А Вт/м-К 0,424 0,75 0,85 1,22 1,39

50 - 60 см

сухая МГ ВЗ ВРК НВ

0,26 0,384 0,423 0,518 0,508

ср,1& Дж/м3-К 1,62 1,92 2,06 2,56 2,88

Л, Вт/м-К 0,421 0,74 0,87 1,29 1.47

Сравнивая коэффициенты температуропроводности для слоев сухой почвы по глубине (таблица 1), можно заметить, что происходит уменьшение данного коэффициента вниз по профилю. Для всех горизонтов максимальные значения температуропроводность имеет при влажности, равной ВРК для данного типа почвы. Кроме того, наибольшие значения отмечаются в верхнем гумусово-аккумулятивном горизонте, причем, как для абсолютно сухого состояния, так и при ВРК. Уменьшение коэффициентов температуропроводности с глубиной можно объяснить уплотнением нижележащих горизонтов и изменением их дифференциальной порозности, что влечет за собой изменение условий молекулярного переноса тепловой энергии.

Характер поведения теплопроводности подтверждает получение ранее данные. До определенной стадии водонасыщения происходит возрастание теплопроводности почвы, при дальнейшем повышении влажности почвы рост замедляется, теплопроводность стремится к "насыщению". Для нижележащих горизонтов увеличение коэффициента теплопередачи значительнее, чем в менее плотных верхних.

Теплопроводность почвы зависит от размеров, формы и пространственного расположения элементарных почвенных частиц. Связано это с тем, что теплопередача в почве, как многофазной системе, осуществляется с помощью различных механизмов. Однако, основная роль в теплопередаче принадлежит кондукции, т. е. переносу тепла через контакты между почвенным» частицами.

Кроме того, имеет место перенос скрытой теплоты (процесс фазовых превращений, включающий теплопоглощающую стадию испарения, после которой следует диффузионное или конвективное перемещение пара, оканчивающееся тепловыделением при конденсации).

Суммируя вышесказанное, следует отметить, что при переходе от верхних, слабоуплотненных горизонтов к почвообразующей более плотной породе, за редким исключением, объемная теплоемкость и теплопроводность возрастают, тогда как температуропроводность снижается.

Рисунки, приведенные ниже, показывают зависимость теплофизических коэффициентов различных генетических горизонтов почвы в зависимости от степени их увлажнения.

4,2 1 ед^О"

0,6

а,10' м2/с

В

0,55 -0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0.25 & 0,2

»V >7

I

0 0,2 0,4 0,6

0,2

0,4

0,6

« Ан о Л1 л АВ ■ х Вк

О Ап □ А1

Д АВ X Вк

Рис. 1. Зависимость объемной теплоемкости (А) и температуропроводности (В) генетических горизонтов почвы от влажности почвы

Полученные результаты позволяют оценить теплофизические коэффициенты в почвенном профиле в зависимости от глубины, а также сравнить их динамику под различными культурами в течение вегетации.

Изучение динамики теплофнзических коэффициентов почвенного профиля в естественных условиях под ягодными культурами и в парующейся почве необходимо для оценки воздействия той или иной культуры на тепловое состояние почвы.

Анализ полученных данных показывает, что динамика теплофнзических коэффициентов генетических горизонтов чернозема в большой степени зависит от сезонной динамики их влажности. При этом отмечается также влияние той или иной ягодной культуры.

Так, в июне 2001 года (1-2 числа) для черного пара влажность почвенных горизонтов находилась между ВРК и НВ (табл 2), в связи с чем происходило проявление комбинированного механизма теплопередачи.

Таблица 2

Влажность почвенных горизонтов в черном пару (% от массы почвы).

А„ А, АВ в.

1-2 июня 2001 г. 25,4 27 22,2 19,9

19-20 сентября 2001 г. 13,9 15 17,6 15

12-13 июля 2002 г. 10,7 18,2 20,6 14,4

19-20 августа 2002 г. 14,2 8,4 5,8 14,8

Такое увлажнение обеспечивало протекание термодиффузии молекул влаги, находящейся в парообразном состоянии, через почвенные поры, которые оказались незанятыми водой. Таким образом, наблюдался как кондук-тивный, так и пародиффузионный теплоперенос.

Кроме того, в связи с увеличением значений -теплоемкости и теплопроводности с глубиной, происходило быстрое прогревание верхних слоев почвы, а также распространение тепла вглубь почвенной толщи. При этом объемная теплоемкость при переходе от пахотного слоя к подстилающей породе изменялась линейно.

К концу вегетационного периода 2001 года (19-20 сентября) влажность почвенных горизонтов в черном пару была ниже ВРК, причем до глубины (50-60) см происходило увеличение содержания влаги от 13,6 до 17,6 %, а затем ее уменьшение (таблица 2).

В июне 2001 года как в пахотном слое, так и в слое (100 - 110) см {гор. В,) коэффициент объемной теплоемкости почвы на всех вариантах был выше, чем в сентябре того же года (таблица 3). Причем максимальная разница меж-

ду значениями ее в верхнем слое составила 1,37-10* Дж/м3К и отмечалась в рядах земляники. Минимальное расхождение в значениях (от 2,81 до 2,32-106 Дж/м5К) наблюдалось в почве, занятой смородиной. Рост и снижение объемной теплоемкости к значительной мере определялось колебаниями влажности почвы.

Наиболее существенная разница между значениями коэффициента температуропроводности в пахотном слое и на глубине 100 см наблюдалась в рядах земляники. На такое изменение повлияло, помимо влажности, строение корневой системы данной культуры. Основная масса корней земляники располагается в слое 0-20 см, их разрыхляющее действие обусловило повышенную порочность и тем самым увеличило скорость распространения тепла.

Таблица 3

Объемная теплоемкость (Ср>106Дж/л^К) почвы летом и осенью 2001 года под различными ягодными культурами (числитель - горизонт А, знаменатель -горизонт Вк)._

—------ месяцы культура *"""—-— 1—2 июня 19-20 сентября

смородина 2.81 2,95 2.32 2,7

жимолость 2.55 2,82 1Ж 2,35

жимолость вблизи лесополосы 2.63 2,84 2.03 2,52

земляника 2.38 2,6 1.01 2,53

контроль (черный пар) 2.65 2,95 Ш 2,68

К концу вегетационного периода значения температуропроводности изменились.

Например, если в июне в рядах земляники температуропроводность в горизонте А (в слое 10-20 см) составляла 0,54110'6 м2/с, то к сентябрю значение её понизилось до 0,526'Ш*6 м2/с. В рядах смородины, наоборот, произошло увеличение от 0,516 кг6 мг/с до 0,54 ПО"6 м2/с.

Надо отметить, что для остальных вариантов на глубине 100-110 см (что соответствует горизонту Вг) коэффициенты температуропроводности практически не отличались друг от друга, но, по сравнению с июнем, произошло уменьшение её значений к окончанию вегетационного периода. Максималь-

ные изменения наблюдались в рядах жимолости, удаленной от лесополосы, где разница между летними и осенними значениями составила около 16 %. Минимальная разница между значениями в начале лета и осенью отмечалась в рядах землянихи.

На глубине более 100 см значения теплопроводности практически не изменялись в течение вегетационного периода, а вот в слое 20-40 см парующейся почвы происходили заметные колебания теплопроводности. При этом до глубины 50-60 см в начале лета 2001 года (июнь) наблюдался рост теплопроводности, а к осени (19-20 сентября) на этом же промежутке отмечался спад.

К окончанию периода вегетации происходило уменьшение коэффициента теплопроводности на всех вариантах, как на поверхности почвы, так и на глубине 100 см. Например, если в июне в рядах земляники (горизонт А) значение коэффициента теплопроводности было равно 1,3 Вт/м-К, то к сентябрю снизилось до 1,01 Вт/м-К, Наиболее существенные различия между летними и осенними значениями данной величины наблюдались в слое 50-60 см (горизонт ВС), особенно для рядов жимолости, как удаленной от лесополосы, так и произрастающей вблизи лесных насаждений.

Аналогичная картина наблюдалась н летом 2002 года.

Глава V. ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПОД ЯГОДЦШМИ КУЛЬТУРАМИ

Рост и развитие растений оказывают влияние на трансформацию лучистой энергии солнца и на потоки тепла, поступающие с поверхности почвы, на теплообмен в её толще, на формирование температурного профиля почвы н его изменения во времени

Максимальные суточные колебания температуры наблюдались на поверхности почвы, с увеличением глубины происходило их затухание, и на глубине 100 см температура в течение суток практически не изменялась. При этом на температурную динамику сильное влияние оказывал тип растительности. Различные биологические особенности ягодных культур, а следовательно, затенение поверхности почвы, занятой той или иной культурой, поглощение и испарение влаги в пахотном слое определило динамику прогревания почвенного профиля в течение вегетации.

При анализе полученных результатов было замечено, что под растительностью разница между максимальными и минимальными значениями температуры меньше, чем на черном пару, хотя характер изменения в течение суток одинаков на всех вариантах.

Наиболее ярко выражено изменение температуры в течение суток на черном пару, более плавными были температурные колебания в рядах жимолости, произрастающей вблизи лесополосы.

На основе данных о влажности, плотности почвы, а также о ей полной влагоемкости, были проведены расчеты объемной теплоемкости, которая претерпевала определенные колебания в связи с изменением влажности в течение вегетации.

Наибольших значений объемная теплоемкость в июле достигала в рядах жимолости, удаленной от лесополосы (2,414-10в Дж/м^К). Минимальной теплоемкостью в этом месяце обладала почва, занятая земляникой, где она оказалась равной 2,055-Ю6 Дж/м3К. В связи с уменьшением количества осадков от 21,6 мм в июле до 3,9 мм в сентябре произошло уменьшение влагосодер-жания в почвенном профиле, что повлекло за собой и падение объемной теплоемкости. Под жимолостью, как удаленной от лесополосы, так и произрастающей в непосредственной близости от нее влажность почвенного профиля почти не изменилась, поэтому объемная теплоемкость на данных вариантах также осталась постоянной и составила 1,987-10* Дж/м3К,

Хорошим подтверждением того, что в почве, занятой растительность скорость и величина теплообмена и теплоаккумуляции уменьшились, служат данные о теплопотоках, рассчитанные по температуре и влажности для различных агрофонов (таблицы 4 и 5).

В июле наибольший положительный теплогюток (в почву) на вариантах, занятых ягодными культурами был отмечен в рядах земляники в 8 часов утра и составил при этом 120,76 Вт/м2.

Таблица 4.

Тепловые потоки (Р, Вт/м3) в пахотном слое выщелоченного чернозема под различными агроценозами в отдельные сроки наблюдений 12-13 июля 2001 года.

^^^ срок культура ^—^ 1400 200« 2300 5ю 8оо

жимолость 52,56 1,64 -19,88 -35,38 -28,90 17,97

жимолость вблизи лесополосы 17,07 0,02 -5,96 -16,64 -12,94 21,28

земляника 55,41 -25,32 -63,43 -67,40 11,99 120,76

контроль -11,40 -72,71 -66,65 -56,69 3,34 178,71

В сентябре максимальные положительные теплопотоки наблюдались в рядах земляники и на контроле (61,21 Вт/м2и 59,29 Вт/м2 соответственно).

В сентябре тепло распространялось из глубины к поверхности почвы, и поэтому теплопотоки на некоторых вариантах имели отрицательные значения. При этом их минимум был отмечен под жимолостью, а максимум в черном пару

Таблица5

Тепловые потоки (Р, Вт/м2) в пахотном слое выщелоченного чернозема под различными агроценозами в отдельные сроки наблюдений 19-20 сентября 2001 года.

^—срок культура 14°® 17°° 20ш 2300 5оо 8ш

жимолость 15,13 -3,96 -35,94 -42,41 0,48 26,35

жимолость вблизи лесополосы 8,84 -4,89 -20,51 -20,51 -3,64 15,62

земляника 11,99 -18,45 -55,42 -46,17 -0,03 61,21

контроль -4,03 -61,42 -91,83 -78,67 13,06 59,29

Для выяснения особенностей формирования температурного режима в профиле выщелоченного чернозема проведены круглогодичные измерения температуры на глубинах 5, 10, 15, 20 50, 100, 150, 200 см и на поверхности почвы

Полученные данные указывают на то, что опускание нулевой изотермы в почве, занятой жимолостью, зимой 2001 - 2002 гг. происходило до глубины 150 см, причем наиболее интенсивно охлаждался верхний, 50-ти см слой почвы, температура в котором опускалась до -7,6 ПС (рис. 1).

Глубина промерзания почвенного профиля в зимний период 2002-2003 годов была меньше (порядка 100 см), что обусловлено более мощным снежным покровом, чем в предыдущую зиму.

Малая глубина промерзания зимой 2002-2003 года в отличие от предыдущей обусловила быстрое оттаивание почвы в весенний период.

Оказалось, что температурный режим, складывающийся в профиле почвы, а также особенности аккумуляции отрицательных температур главным образом зависят от высоты снежного покрова и исходной влажности почв.

Яплтралиаля&ла, V

200 си

2001 I

иГ Г 17/ Звв2

Н1 V

2т

+13 +20" +ю +и»

4-5 +ЩО

[=3 ЮЗ]

ьг.здз

о -i•

J -10°

Рис. 1 Термохроноизоплеты в профиле чернозема выщелоченного за период с

2001 по 2003 гг.

Кроме того, на рисунке видно, что зона температур +10... +15 °С в летний период распространяется до двух метров. Данная картина свидетельствует о том, что прогревание генетических горизонтов происходит до активных и благоприятных в биологическом отношении температур. При этом длительность такого благоприятного периода сравнительно небольшая - около 5 месяцев, что требует выведения таких сортов культур, для которых этого времени вполне достаточно для созревания и размножения.

выводы

^Экспериментальное измерение теплоемкости тепло- и температуропроводности, а также температуры генетических горизонтов чернозема выщелоченного основано на современной приборной базе, разработанной на кафедре физики АГАУ при участии соискателя.

2)Исследованный чернозем малогумусный (3,3-3,8%) среднесуглини-стого гранулометрического состава. Плотность пахотного слоя около 1,2 г/см3, с глубиной возрастает до 1,5 г/см3. Влажность разрыва капиллярных связей лежит в пределах 16-19 %, наименьшая влагоемкость изменяется от 22 до 26 % от массы почвы.

3)В абсолютно сухом состоянии объемная теплоемкость выщелоченного чернозема возрастает при переходе от пахотного слоя к почвообра-зуюшей породе. Температуропроводность наименее плотных горизонтов максимальна, с глубиной уменьшается на 30-40 %. Теплопроводность в профиле чернозема при этом меняется незначительно.

4)Увлажнение почвы от абсолютно сухого состояния до полной влаго-емкости вызывает рост всех теллофизических коэффициентов в два и более раз. При этом максимум температуропроводности наблюдается при влажности разрыва капилляров (ВРК), поскольку при этом обеспечиваются наилучшие условия для кондуктивного и ларо диффузионного переноса тепла в черноземах среднесуглинистого гранулометрического состава.

5)В течение вегетации влажность почвенного профиля как под плодово-ягодными культурами, так к в пару, изменяется в соответствии с выпадающими осадками. За годы наблюдений в первой половине лета она составляла 20-25 %, а к сентябрю уменьшалась до 13-14 %.

6)В соответствии с динамикой влагосодержания и температурой почвы варьировали и теплофизические свойства в профиле чернозема. В июне как теплоемкость, так и теплопроводность имели максимум на глубине 50-60 см (горизонт АВ) под всеми ягодными культурами, К сентябрю наиболее теплоемкими и теплопроводными оказались ниже лежащие горизонты. Однако, температуропроводность, как в начале, так и в конце вегетации была больше в верхних слоях почвы на всех агрофонах.

7)Растительный покров оказывает существенное влияние на гидротермический режим почвы. Наиболее увлажненным на 1.06.01, был чернозем под жимолостью, произрастающей вблизи лесополосы, тогда как земляника обусловила минимум увлажнения.

8)Наибольшие колебания температуры поверхности почвы наблюдаются в черном пару, наименьшие - под смородиной. Разница между значениями составляет 10-15еС. Менее подвержена изменениям температуры поверхности почва под жимолостью близ лесополосы.

Размах температурных колебаний в конце вегетации падает на всех аг-рофонах.

9)Определенные тепловые потоки 12-13 июля 2001 года показывают существенные различия по изученным вариантам. Так, в черном пару за сутки теплопоток оказался равным 179 Вт/м2, на землянике 121 Вт/м , а поджнмолостьюнепревышал21 Вт/мг.

В конце сентября тепловые потоки были отрицательными.

Аналогичные изменения в распределении тепла в верхнем 20-ти см слое чернозема были отмечены и в 2002 году.

ЮуГемпературный режим почвы в зимний период определяется главным образом высотой снежного покрова. При высоте снега 70 см зимой 2002-2003 гг. наблюдались меньшие температуры как поверхности почвы, так и распространение нулевой изотермы в почвенном профиле до глубины один метр, в то время как предыдущей зимой температура 0°С проникла на 1,5 метра (при высоте снега 55 см).

Рекомендации производству В связи с благоприятным воздействием высоты снежного покрова на формирование температурного и гидротермического режимов в почвенном профиле в течение вегетации, необходимо различными способами осуществлять снегозадержание, в том числе за счет восстановления и посадок садозащит-ных полос.

Список опубликованных работ

Монографии

I. Макарычев С. В., Мазиров М. Л., Лёвин А. А. и др. Теплофизические свойства и режимы в антропогенно - нарушенных почвах. - редакция журнала «Химия в сельском хозяйстве» - Москва, 2003. - 153 с.

Статьи

1. Лёвин А. А., Макарычев С. В., Мягкий П.А., Насонов А.Д. Использование цилиндрического зонда для измерения теплопроводности почвы в поле // Проблемы природопользования на Алтае: Сб. науч. тр. молодых ученых / АГАУ, - Барнаул, 2000, с. 50 - 53

2. Болотов А.Г., Левин А. А., Беховых Ю.В, Макарычев С. В. Особенности исследования термических свойств влажных почв // Антропогенное воздействие на лесные экосистемы: Материалы II Международной конференции / г. Барнаул, 2002, с.150-152

3. Левин А. А. Гидротермический режим черноземов Приобья под различными ягодными культурами И Антропогенное воздействие на лесные экосистемы: Материалы II Межд. конференции / Барнаул, 2002, с. -153-155

4. Болотов А. Г., Макарычев С. В., Лёвии А. А. Автоматизированная система для исследования теплофизических характеристик почв // Вестник АГАУ №3 / АГАУ .-Барнаул, 2002, с. - 20-22

5. Лёвин А. А., Макарычев С. В., Болотов А. Г, Особенности формирования гидротермического режима в черноземах Приобья под различными ягодными культурами // Вестник АГАУ №3 / АГАУ. - Барнаул, 2002, с. 78-82

6. Лёвин А. А. Гидротермический режим выщелоченного чернозема под различными ягодными культурами в летний период // Вестник АГАУ №3 / АГАУ. - Барнаул, 2002, с.237-238

7. Лёвин А. А. Температурный режим выщелоченного чернозема зимой 20012002 гг. // Вестник АГАУ №3 / АГАУ.-Барнаул, 2002, с.243

8. Сизов Е.Г. Макарычев С. В, Жвин А. А. Влияние вырубок на гидротермический режим и тепловые свойства серых лесных почв Алтайского края Н Гидроморфные лочеы - генезис, мелиорация и использование: Материалы Всероссийской научно-практической конференции / Москва, МГУ, 2002, с. 86-87

9. Левин А. А., Болотов А.Г., Беховых Ю. В. Температурный режим чернозёмов Приобья под плодово-ягодными культурами в зимний период // Антропогенное воздействие на лесные экосистемы / Материалы II Международной конференции / Барнаул, 2002, с.155-157

ЛР№ 020648 от 16 декабря 1997 г.

Подписано в печать Формат 60X84/16. Бумага для множи-

тельных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл. - печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ Ш Si

Издательство АГАУ, 656099, г. Барнаул, пр-т Красноармейский, 98 62-84-26

¿<20436