Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Режим тепла и влаги в черноземе выщелоченном под цветочными культурами семейства лилейных в условиях Алтайского Приобья

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Режим тепла и влаги в черноземе выщелоченном под цветочными культурами семейства лилейных в условиях Алтайского Приобья"

На правах рукописи

БИЦОШВИЛИ ИРИНА АЛЕКСЕЕВНА

РЕЖИМ ТЕПЛА И ВЛАГИ В ЧЕРНОЗЕМЕ ВЫЩЕЛОЧЕННОМ ПОД ЦВЕТОЧНЫМИ КУЛЬТУРАМИ СЕМЕЙСТВА ЛИЛЕЙНЫХ В УСЛОВИЯХ АЛТАЙСКОГО ПРИОБЬЯ

Специальность 03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

2 КЮН 2011

Барнаул-2011

4848081

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный аграрный университет»

Научный руководитель -

доктор биологических наук, профессор Макарычев Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Трофимов Иван Тимофеевич

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Райхерт Евгений Владимирович

Ведущая организация:

Факультет почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «16» июня 2011 г в 1430 на заседании диссертационного совета Д 220.002.01 при ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»

Адрес: 656049 г. Барнаул, пр-кт Красноармейский,98 Факс (3852) 62-83-96 Е-таН:с1220а§аи@а5аи.ги

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «13» мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор с.-х. наук Е.Г. Пивоварова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

С давних времен цветы в жизни людей играют огромную роль. Цветы служат не только как украшения, но могут очищать воздух, снижать городской шум, способствовать психологической разгрузке.

С каждым годом расширяется цветоводство, которое охватывает специфическую группу растений, не используемых в качестве пищевых продуктов, а способствующих нравственному и духовному развитию человека. Поэтому, возрастающий спрос на цветочную продукцию требует от специалистов широкого кругозора и готовности в любой момент перейти на высокотехнологичное выращивание растений. Это является стимулом для широкого внедрения агрохимии, выращивания цветочных культур на различных субстратах.

В то же время цветочные культуры весьма требовательны к условиям произрастания. Именно тепло и влага отвечают за интенсивность роста и развития корневой системы, а, в конечном счете, и самого растения.

В свою очередь тепловые потоки и движение влаги в почве зависят от совокупности теплофизических свойств и распределения температурных градиентов в ее профиле.

Следует отметить, что сведений о процессах формирования теплофизиче-ского состояния почв, режимов тепла и влаги под цветочными культурами недостаточно, особенно в условиях Сибири.

Цель работы.

Изучить особенности агрофизических, теплофизических свойств и гидротермического режима чернозёма выщелоченного под цветочными культурами семейства лилейных (на примере сортоиспытательного участка ГНУ НИИСС им. М.А. Лисавенко Российской академии сельскохозяйственных наук).

Задачи исследований.

- определить общие физические, водно-физические и физико-химические свойства чернозема выщелоченного;

- изучить теплофизические свойства генетических горизонтов чернозема;

- выявить особенности формирования сезонных изменений теплофизических свойств и гидротермического режима чернозема выщелоченного под цветочными культурами семейства лилейных;

- установить особенности снегонакопления и температурного режима почвы под цветочными культурами в зимний период.

Объекты исследований.

Объектами исследований являются чернозём выщелоченный под цветочными культурами из семейства лилейных.

Научная новизна.

Впервые экспериментально определены теплофизические свойства чернозема выщелоченного под цветочными культурами, изучено формирование годичного цикла температурного, гидротермического и питательного режимов почвы под лилейными культурами.

Выполненные исследования позволяют получить целостную картину теп-лофизического состояния почвенного профиля, оценить степень воздействия лилейных культур на температурный режим и теплопотоки в почве, с целью выработки последующей рекомендации по управлению тепловым и питательным режимами в её корнеобитаемом слое.

Защищаемое положение.

Поступление, аккумуляция и распределение тепла в черноземе выщелоченном под цветочными культурами определяются его arpo- и теплофизическими свойствами, а также биологическими особенностями растений.

Практическая значимость.

Знание теплофизических свойств и гидротермического режима позволяет оценить и прогнозировать распространение и аккумуляцию ресурсов тепла в почвенном профиле под лилейными культурами в условиях Алтайского При-обья. Это дает возможность управления запасами тепла и влаги с помощью агротехнических и мелиоративных приемов с целью создания оптимальных условий для выращивания цветочных растений.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на научно-практической конференции института природообустройства «Приоритетные направления научных исследований в области природообустройства» (г. Барнаул, 2008 г, 2009 г, 2010 г), Всероссийском открытом заочном конкурсе достижений талантливой молодежи ((Национальное достояние России» (Министерство образования и науки РФ, постановление № 2 от 22.03.2010 г). Реализован грант Министерства сельского хозяйства по теме исследования (Общероссийская общественная организация «Российское аграрное движение - РАД», письмо № 23 от 13.05.10 г).

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях, в том числе в двух, входящих в список ВАК РФ. Объем публикации составляет 1,21 п.л., в том числе доля автора 1,09 пл.

Структура и объем.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Содержание работы изложено на 129 страницах печатного текста, включая 11 таблиц, 25 рисунков. Список используемой литературы включает 175 отечественных и зарубежных источника.

ГЛАВА 1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЫ И МЕТОДЫ ЕГО ИССЛОДОВАНИЯ

Тепловые режимы, формирующиеся в почве, определяются прежде всего ее теплофизическими свойствами теплоемкостью (Ср), тепло- и температуропроводностью (X, а).

Изучению теплофизических характеристик почв, установлению зависимостей между ними, изучению механизмов влияния друг на друга почвенно-физических факторов, посвящено большое количество работ как отечествен-

ных, так и зарубежных авторов (Чудновский 1947-1976; Димо, 1948-1976; Колмогоров, 1950; Герайзаде, 1970,1982; Панфилов, Макарычев, Лунин и др., 1981; Харламов, 1985; Макарычев, 1996; и др.).

В современной физике почв обозначилось явное противоречие между очевидной нелинейностью практически всех почвенных явлений и классическими линейными физико-теоретическими методами их описания (Кудряшова С.Я., Чичулин A.B., 1996). Поэтому экспериментальное определение теплофизических свойств является необходимым этапом при решении ряда задач физики почв, в частности, при создании математических моделей теплообмена в почве и адекватной интерпретации результатов полевых экспериментов по определению теплового режима.

Методы определения теплофизических характеристик почвы традиционно подразделяется на расчетные и экспериментальные.

Об ограниченном применении расчетных методов свидетельствуют в своих работах В.П. Панфилов, C.B. Макарычев и др. (1981), И.С. Харламов (1984), Т.А. Архангельская (2001) и др., несмотря на их простоту и удобство.

Поэтому, наиболее перспективными являются экспериментальные методы определения теплофизических параметров почв. В соответсвии с особенностями температурных полей, формирующихся в ходе измерений, их можно разделить на две принципиально различные группы: стационарные и нестационарные (Чудновский, 1948; Шевельков, 1960; Димитрович, 1963; Методы определения..., 1973).

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. В результате 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 переменного теплового потока. Третью разновидность экспериментальных методов определения теплофизических коэффициентов образуют импульсные (методы мгновенного и равномерно действующего источника тепла). В основе этих методов лежит определение параметра нестационарного температурного поля в первой стадии его развития. Создание и совершенствование таких методов принадлежит А.Ф. Чудновскому (1948, 1976), Е.Е. Вишневскому (1958), A.M. Бутову (1961), Л.И. Лунину (1972, 1977, 1978), C.B. Макарычеву (1980) и др.

В импульсных методах используются закономерности выравнивания температурного поля в неограниченной среде после прекращения действия источника тепла. Особенностью процесса выравнивания является наличие максимума температуры исследуемой точки среды. Особенностью такого процесса является наличие максимума температуры исследуемой точки среды. Время наступления максимума и его величина зависят от теплофизических параметров среды, которые определяются на основе решения уравнения Фурье с определенными граничными условиями (Вишневский, 1958; Бутов, 1961, 1964; Фукс, 1970; Лу-

нин, 1972; Bristow, Bilskie, Kluitenberg, Horton, 1995; Noborio, Mclnnes, Heüman, 1996). Простота установки и возможность определения всех теплофизических характеристик из одного опыта делают импульсные методы наиболее распространенными.

В естественных (полевых) условиях для измерения теплофизических свойств применялся метод «мгновенной» пластины (Богомолов, Чудновский, 1941; Розенфельд, Гудкова, 1952), шарового зонда (Каганов, 1952) или цилиндрического зонда (Чудновский, 1952; Каганов, 1956).

Следует отметить, что предложенные устройства для исследования теплофизических коэффициентов в полевых условиях громоздки, приводят к значительному нарушению естественного сложения почвенного профиля, создают большие градиенты температур, что искажает реальные значения термических показателей влажных почв за счет массопереноса.

ГЛАВА 2. ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОПА ИССЛЕДОВАНИЙ

Согласно существующему природно-климатическому районированию территория сортоиспытательных участков ГНУ НИИСС им. М.А. Лисавенко РАСХН, где проводились исследования, относятся к подзоне черноземов умеренно засушливой и колочной степи, расположенной на Приобском плато (Бур-лакова и др, 1988).

Приобское плато пересекают с северо-востока на юго-запад широкие и глубокие ложбины древних рек. Их ширина достигает 12 км при глубине 50-100 см относительно водораздельных пространств. Подстилающие породы сложены преимущественно слабопроницаемыми средними, легкими и тяжелыми суглинками и супесями мощностью до 100 м. Грунтовые воды на плакорных поверхностях плато вскрываются на глубине более 10-20 м, в северной части - на 5-10 м (местами глубже 10 м), а на размытой территории плато - от 2 до Юм. По глубине залегания грунтовых вод можно косвенно судить о различной степени естественной дренированности.

Алтайский край находится в средней полосе северного умеренного климатического пояса. Климат Алтайского края отличается суровой зимой сильными ветрами и метелями, поздними весенними и ранними осенними заморозками, обилием солнечной радиации, жарким коротким летом.

Зима 2007/2008 гт. была относительно теплой.

Весна 2008 г началась рано, уже в начале апреля полностью сошел снежный покров, а температура воздуха составляла + 9 С. Все весенние месяцы, были теплыми. Уже к началу мая температура воздуха достигала +14°С.

Осенние месяцы отличались плавным переходом температур. Снежный покров лег во второй декаде ноября, предохраняя почву от промерзания. В первой декаде декабря температура воздуха понизилась до -15,5°С.

Все лето 2009 г было невероятно холодным и дождливым. С мая по сентябрь выпало 240 мм осадков.

Осень 2009 гг. была достаточно теплой. Температура воздуха снижалась постепенно. Так во второй декаде сентября её значение составляло +12'С, в середине октября +4'С, и только к концу ноября температура понизилась до -7°С. Такой плавный переход температуры способствовал подготовке цветочных растений к зимнему периоду.

Зимний период 2009/2010 гг. оказался суровым. Температура воздуха в некоторые дни достигала -46'С.

Весь май 2010 г был холодным, воздух прогревался до +9°С, при этом наблюдались осадки в виде дождя и мокрого снега. В летний период среднемесячная температура не превышала +18*С, количество осадков выпавших за это время составило 167 мм. Такие изменения в погодных условиях привели к отставанию в цветение культур.

Таким образом, в 2008-2010 гг. наблюдались критические периоды: низкие температуры в зимний период, дождливое и холодное лето, засуха во время цветения и т.д.

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЦВЕТОЧНЫХ КУЛЬТУР

Лилия (ЬШшп) - род растений из семейства лилейные. Многолетние травянистые, луковичные растения. Общие особенности рода состоят из наличия луковицы, состоящей из отдельных, примыкающих друг к другу чешуек, шести-лепестковых цветков с 6 тычинками и трехгнездной завязью, удлиненных листьев с параллельным жилкованием. Стебли прямые, густо облиственные, зеленые или темно-пурпуровые, высотой 40-250 см, толщиной 0,3-3,0 см. Листья линейные, ланцетные, линейно-ланцетные или продолговато-эллиптические, сидячие или черешковые, от 2-3 до 20 см длиной, расположены в очередном порядке, иногда мутовчато. Цветки собраны по 2-40 в пирамидальные или зонтиковидные соцветия или одиночные. Околоцветник воронковидный или чал-мовидный, состоящий из шести долей.

Среднее отрастание начинается 12 мая, продолжительность периода вегетации составляет 130-145 дней (цветение от 5 до 19 дней). Выращивают на одном месте 3-5 лет.

Лилейник или Гемерокаллис (НешегосаШв) - род семейства лилейные. Лилейник представляет собой травянистый корневищный многолетник. Придаточные корни шнуровидные, часто мясистые, утолщенные, что помогает растениям противостоять засухе, иногда образуют столоны. Прикорневые листья двуряд-ные, широколинейные, цельнокрайные, прямые или дуговидЕГО изогнутые. Лилейники обладают способностью развивать подземные побеги - столоны. Каждый подземный побег заканчивается почкой, из которой образуется побег с розеткой листьев.

Цветки крупные, чаще воронковидные, шестираздельные с небольшой трубкой, собраны по 2-10 в раскидистые соцветия, в основном желтые, оранжевые, розовые, красновато-коричневые. Цветоносы, их может быть несколько,

облиственные, обычно возвышаются над листьями. Плод — трехгранная коробочка.

Отрастание лилейника начинается сразу после установления положительных температур, а именно с 19 апреля. По типу вегетации лилейники делятся на три типа: спящие (Dormant), полувечнозелёкые (Semievergreen) и вечнозелёные (Evergreen), с продолжительностью цветения от 15 до 30 дней. Высота листьев составляет 40-80 см, а высота цветоносов 50-55 см. Лилейник может произрастать на одном месте от 8 до 10 лет.

ГЛАВА 4. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО

4.1. Агрофизическая характеристика чернозема выщелоченного

Анализ почвенного разреза на опытном участке показал, что исследуемая почва является черноземом выщелоченным легкосуглшшстым.

Основная доля микроагрегатов представлена размером 0,25-0,05 мм и 0,050,01 мм, то есть наиболее ценным в агрономическом отношении.

Плотность чернозема с глубиной закономерно и постепенно возрастает с 1,28 г/см3 в гумусовом слое до 1,65 г/см3 в почвообразующей породе. С глубиной порозность уменьшается от 53,8% до 40%. Максимальная гигроскопичность в профиле чернозема выщелоченного варьирует незначительно: от 3,45% от веса почвы в пахотном горизонте до 5,05% в горизонте С. Изучаемый чернозем выщелоченный отличается высокой наименьшей влагоемкостью: в горизонте Апах она более 39% и снижается до 24% в материнской породе, что связано с различным содержанием в почве физической глины и гумуса.

Максимальное содержание гумуса фиксируется в пахотном горизонте и горизонте AB, составляя 7% и 5,3% соответственно, при этом его содержание резко уменьшается при переходе к нижележащим горизонтам. По величине рН„ эта почва в гумусовом горизонте является почти нейтральной и только почвообра-зующая порода является слабощелочной.

Сумма поглощенных оснований в пахотном горизонте не превышает 12,0 мг-экв./100 г почвы. Преобладающим поглощенным элементом в почвенном комплексе является кальций. На его долю приходится 70-90% от суммы оснований, что является характерным для почв данной местности.

Количество подвижных форм азота на протяжении всего периода остается низким и относится к I классу обеспеченности. Обеспеченность почвы подвижным фосфором по всем фазам развития растений под лилейными культурами остается очень высокой (VI класс обеспеченности 20 мг/100 г). Запасы Р2О5 в слое 0-20 составляют 23,7-50,0 мг/100 г.

4.2. Теплофизическая характеристика генетических горизонтов

Теплофизические характеристики генетических горизонтов чернозема, такие как объемная теплоемкость, тепло- и температуропроводность, главным образом зависят от целого ряда почвенно-физических факторов: влажности,

плотности, температуры почвы, ее дисперсности и от количества органического вещества (Макарычев, 2006).

Большой интерес представляет распределение теплофизических характеристик генетических горизонтов, при различных гидрологических константах (рис.1).

а) объемная теплоемкостью6 Дж/(м3-К) б) температуропроводность 10"6м2/с

. ян

в) теплопроводность Вт/(м-К)

0.5 1 1.5 г 24 3 34 4 0.1 6Л 04 0,4 04 0.« 0.7 0

Апах АВ в ВС С Али АВ В I ВС С

Вмг 1.98 14« 1,85 1ЛЗ [вмг 0.48 0,46 047 [ 0.4» 0,58

ваз г»г 1,88 2,05 _ч6 ■аа 042 «41 0.40 1 043 0,65

О ВРК 3,14 342 3.01 3,08 гло |ЕЭВРК 047 0,70 0,73 | 0.72 0.62

■ нв 3,73 3,70 ЗЛ6 3,64 гМ Енв 04« 0.33 0,45 Г ы. 1

Рис. 1. Объемная теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность генетических горизонтов чернозема выщелоченного при разных гидрологических константах

Максимальная динамичность теплоемкости характерна для гумусового горизонта. Здесь, объемная теплоемкость от максимальной гигроскопичности до наименьшей влагоемкости возрастает практически в 2 раза. Такое же колебание отмечается и в иллювиальном горизонте. В почвообразующей породе изменение объёмной теплоемкости от МГ до НВ составляет всего 9%.

Нужно отметить, что температуропроводность имеет выраженный экстремум при влажности близкой к ВРК, что характерно для почв суглинистого гранулометрического состава. Диапазон изменений температуропроводности от

МГ до НВ для гумусового горизонта составляет 17%, в переходном горизонте -22%.

Так, при одинаковых гидроконстантах теплопроводность имеет меньшие значения в пахотном слое, а с глубиной они закономерно увеличиваются. Например, при влажности завядания теплопроводность возрастает при переходе от АП1Я к горизонту С на 23%, а при наименьшей влагоемкосги - на 29%.

Все данные показывают, что при влажностях, соответствующих той или иной гидрологической константе, качественный характер изменения теплофи-зических коэффициентов по профилю чернозема остается почти неизменным, хотя степень изменения их при этом разная. То же можно сказать и о динамике коэффициентов теплоаккумуляции и теплопереноса в каждом генетическом горизонте в связи с меняющейся влажностью.

ГЛАВА 5. СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПОД ЦВЕТОЧНЫМИ КУЛЬТУРАМИ

5.1. Особенности формирования сезонных изменений теплофизических свойств чернозема под цветочными культурами Влажность почвы является одним из главных условий, обеспечивающих благоприятный рост и развитие растений. Запасы почвенной влаги в сочетании с термическими ресурсами и другими факторами становятся часто решающими в формировании урожая (Панфилов, 1981; Омельянов, 1973).

Данные таблицы 1 показывают, что распределение влаги под цветочными культурами и в паровом поле различно: в мае гумусовый горизонт под лилиями увлажнен сильнее (10,8%), чем под лилейником (8,9%) и в пару (7,5%). В сентябре более увлажненной оказалась почва парового поля, а пахотный горизонт под лилиями и лилейником был иссушен.

В соответствии с изменением влажности генетических горизонтов чернозема выщелоченного теплофизические коэффициенты не остаются постоянными, и степень их варьирования не одинакова. В период вегетации 2008 года среднее по вариантам снижение объемной теплоемкости составило 9,3%, в пару увеличилась на 5,2%.

Более детальные наблюдения за влажностью и тешюфизическими характеристиками чернозема под цветочными культурами и в пару были проведены нами в течение вегетационных периодов 2009 и 2010 годов.

Анализируя данные можно сказать, что под лилией на протяжении исследуемого периода влагосодержание в почве было выше, чем под лилейником, что объясняется разной корневой системой растений. Цветочные культуры оказывали явное влияние на формирование водного режима почвы, в связи с чем, в чистом пару запасы влаги оказались немного больше, чем под культурами. В 2010 году в гумусовом горизонте содержание влаги за весь период вегетации было выше, чем в 2009 г., в среднем, на 55% под лилейными культурами.

Таблица 1

Влажность (и), объемная теплоемкость (Ср), температуропроводность (а) и теплопроводность (X) гумусового горизонта под цветочными культурами в 2007, 2008 гг.

9 ноября 2.007 20 мая 2008 10 июня 2008 12 сентября 2008

Лилия

и,% 32,40 10,80 6,20 5,80

Ср, 10б Дж/(м}-К) 2,48 1,64 1,46 1,44

а, 10 "6 м2/с 0,40 0,56 0,51 0,50

X, Вт/м-К 1,24 0,89 0,72 0,70

НСР05(и)=2,Ю%; НСР05,сР)=2,51%; НСР05(а)=7,81%; НСР05(Ц=4,55%

Лилейник

и,% 32,60 8,90 3,80 6,30

С„, 106Дж/(м*-К) 2,49 1,56 1,36 1,46

а, Ю^м^/с 0,40 0,54 0,47 0,51

X, Вт/м-К 1,24 0,82 0,61 0,72

НСРи(и)=2,64%; НСР05(ср)=2,07%; НСР05(аг8.08%; НСР05(Ц=3,74%

Чистый пар

и,% 29,90 7,50 5,20 9,60

С„, 106Дж/(м*-К) 2,38 1,51 1,42 1,59

а, 10^м2/с 0,45 0,53 0.49 0,55

X, Вт/(м-К) 1,24 0,77 0,67 0,85

НСР05Ш1=3,33%; НСР05(СО)=2,60%; НСР05М=7,34%; НСР05СО=3,80%

Таким образом, самый насыщенный корнями гумусово-акку-мулятивный горизонт (Трунов и др., 1998), испытывает значительные колебания влажности в течение вегетации.

Влажность почвы также оказывает определяющее влияние на комплекс те-плофизических показателей генетических горизонтов.

2009 г 2010 г

21 мая

15 мая

- лилейник - лилия " - чистый пар

Рис. 2. Динамика влажности пахотного горизонта чернозема выщелоченного за вегетационный период 2009,2010 гг. под цветочными культурами и в пару

6 июня

23 июня

7 июля

21 июля

15 сентября

3 сентября

В течение вегетации нами изучалось изменение объемной теплоемкости чернозема выщелоченного под цветочными культурами. Объемная теплоемкость является важнейшей теплофизической характеристикой, определяющей теплоаккумуляционную способность почвы.

На рис. 3 показана динамика объемной теплоемкости за исследуемые годы.

Ср, 10 Дж/(м -К)

2009 г

Ср, 10 Дж/(м К)

2010 г

-лилейник -лилия -чистый пар

Рис. 3. Изменение объемной теплоемкости пахотного горизонта чернозема выщелоченного за вегетационный период 2009,2010 гг. под цветочными культурами и в паровом поле

Наибольшей амплитудой изменений теплоемкости, характеризуется наименее плотный, гумусово-аккумулятивный горизонт А. Горизонт Апах в 2009 г под лилиями был более теплоемким, здесь значения теплоемкости увеличились в среднем на 15%.

В начале вегетационного периода 2010 года отличие объёмной теплоемкости в пахотном горизонте между вариантами составляло 14%. В давнейшем значения теплофизической характеристики чернозема выщелоченного под цветочными культурами и в пару выровнялись.

Следует отметить также, что изменения теплоемкости за вегетацию повторяют ход колебаний влажности. Теплоемкость остается там выше, где больше почвенное увлажнение.

На рисунке 4 представлено изменение теплопроводности пахотного горизонта под цветочными культурами и в паровом участке.

Максимальные значения теплопроводности в 2009 году в горизонте А пах имели место в период наибольшего увлажнения почвы - в мае и июне, и составляли в среднем по вариантам 1,05 Вт/(м-К). Минимальная теплопроводность фиксировалась в начале июля и равнялась в среднем 0,96 Вт/(м-К). Разница между максимальными значениями теплопроводности в начале вегетации и минимальными осенью составила 4% под лилейником, 10% под лилиями и около 1% в чистом пару.

- лилейник

чиегыи пар

Рис. 4. Изменение теплопроводности пахотного горизонта чернозема выщелоченного за вегетационный период 2009, 2010 гг. под цветочными культурами и паровом поле

X, Вт/(м'К) 1,25-

2009 г

X, Вт/(м-К) 1,25

2010 г

5.2. Гидротермический режим чернозема выщелоченного под цветочными культурами в теплое время года

Важнейшим показателем теплофизического состояния почвы является ее температура. Температура почвы существенно влияет на развитие корневой системы и ее поглотительную способность, а также сказывается на процессах жизнедеятельности микроорганизмов (Бондаренко, 1975; Величкина, 2005).

Интегральный показатель, который наиболее полно характеризует температурный режим в почвенном профиле, является сумма суточных температур на различной глубине почвенной толщи.

С С

Рис. 5. Сумма суточных температур чернозема выщелоченного (слой 0-100 см) под лилейными культурами и в пару в 2009-2010 гг.

5~6.06.09 7-8.07.09 28-29.07.09 15-16.08.09

я Лилейник

1200/'

1000-'

23-24.06.10 21-22.07,10 3-4.09.10

3 Лилия п Чистый пар

При анализе полученных данных можно отметить, что суточная сумма температур в 2009 году под лилией, оказалась выше, чем под лилейником, но ниже чем в чистом пару. В 2010 году сумма суточных температур под лилейником в течение всего периода вегетации превосходила сумму суточных температур под лилией и чистом пару.

Таким образом, чернозем выщелоченный, находящийся в пару, сильнее прогревался. Однако и физическое испарение с поверхности почвы в этом случае усиливалось, что, безусловно, препятствовало сохранению влаги. Стебель и листья цветочных растений из семейства лилейных уменьшали суточные колебания температур почвы и способствовали формированию более устойчивого температурного фона.

Проводя анализ, можно отметить, что наибольшее содержание влаги отмечалось под лилейником за весь период наблюдения 2009 года (рис. 6).

2009 г 2010 г

Рис. 6. Влагозапасы чернозема в вегетационный период под цветочными культурами и в пару (слой 0-100 см)

В 2010 году ситуация несколько изменилась. В середине мая почва была увлажнена на всех исследуемых участках. К концу июня произошло иссушение почвенного профиля, и содержание влаги под лилейником уменьшилось на 23%, под лилиями - 6%, в пару - 28%. Такое распределение запасов влаги можно пояснить биологическими особенностями цветочных культур: стебель и листья лилейника способствовали иссушению верхних слоев почвы.

Особенности формирования гидротермических полей сказались на величине тепловых потоков, поступающих в почву.

Из данных таблицы 2 следует, что максимальный тепловой поток в течение суток в июле наблюдался в пару и составлял 133,3 Вт/м2, т.е. почвенный профиль в паровом поле прогревался лучше, о чём свидетельствовала и сумма температур почвы. Различия между тепловыми потоками пахотного горизонта под лилейником и лилиями не превышали 10 Вт/м2. Кроме этого, следует отметить, что в течение суток минимальный поток тепла фиксировался в период времени с 1900 до I00 и в утренние часы.

Таблица 2

Тепловые потоки (Р, Вт/м2) в пахотном слое выщелоченного чернозема

в различные сроки наблюдения и средние за сутки (21-22 июля 2010 г.)

Срок Вариантам. ¡1346)- (1619)— (19-1)" (1-7)— (7-10)— (10-13Я Сумма за сутки

Лилейник 21,9 16,2 14,4 -3,4 18,0 33,2 100,3

Лилия 35,8 17,9 12,8 -1,0 14,9 29,6 110,0

Чистый пар 44,2 14,4 -2,6 -16,2 38,8 54,7 133,3

5.3. Особенности снегонакопления и температурного режима почвы под цветочными культурами в зимний период

Зимой положительное влияние на климат почвы оказывает снег. Снежный покров снижает негативное влияние низких температур, а весной повышает влагообеспеченность растений. Поэтому большой интерес представляли особенности формирования температурного режима почвы в осенне-зимне-весенний период в связи с влиянием глубины промерзания почвы на длительность вегетации.

Для выяснения этих особенностей в профиле выщелоченного чернозема проведены круглогодичные измерения температуры на глубинах 5, 10,15, 20 50, 100, см и на поверхности почвы.

Из рисунка 7 следует, что над растениями лилейника снега скапливалось больше, чем над лилиями, так как более развитая листовая поверхность лилейника сохраняла в зоне своего действия снежные осадки.

В течение всего зимнего периода 2007-2008 гг. эти закономерности сохранялись: высота снега над лилейником была больше чем над лилиями в декабре на 80%, в январе на 61% , в марте на 77%. В феврале произошло увеличение мощности снежного покрова вследствие интенсивных метелей. Высота снежного покрова над лилейником и лилиями составила 58 и 41 см соответственно, а их разность - 17 см.

Анализ снегонакопления в 2008-2009 году показал, что уже в ноябре высота снежного покрова превысила значения предыдущего года. Различие между высотой снега под лилейником и лилиями составило 23%.

К середине марта 2010 над лилиями впервые скопилось большее количество снега.

В 2009 году наблюдалось самое быстрое оттаивание почвы по сравнению с другими исследуемыми годами, в 2010 году также складывались благоприятные условия для начала вегетации цветочных культур.

Весной 2010 года отрицательные температуры оставались на глубине 15 см, хотя к концу апреля все горизонты почвы на всех вариантах окончательно прогрелись.

I—

-40

2007 - 2008 гг.

-1 март -13 фебраль

"21 I январь"

-21 [ декабрь"

-2 ноябрь|

58

41

42

10

М,

тя

2 2

—I—

20

—I-1-

40 60 2008-2009 гг.

—!-

80

И

-20

100

120

140

-6 ма|5т"

-20 февраль

-16 январь

-10 декабрь^ ноябрь

■Б

70

3

.45.

41

1,1. I ......

ш

—

Д^з .....22

.. ■ ■.[ I ¿ш^

56

-40

-20

20

40 60

2009-2010 гг.

80

100

120

140

-8 ма;Гг

~т

-40 -20 0 □ Лилейник

40 60 80 □ Температура

120 140

О Лилия

Рис. 7. Изменение высоты снежного покрова и температуры в зимний период

Итак, температурный режим чернозема выщелоченного в зимний период при условии раннего установления снежного покрова достаточно благоприятен для перезимовки цветочных культур.

выводы

1. Исследованный чернозем среднемощный малогумусный легкосуглинистый. Плотность гумусового слоя составляет 1,28 г/см3, с глубиной увеличивается до 1,65 г/см3. Общая порозность почвенного профиля составляет 54-40%, наименьшая влагоемкость (НВ): в горизонте Апах более 39%, на глубине материнской породы 24%.

2. Чернозем выщелоченный имеет нейтральную реакцию среды и только в почвообразующей породе - слабощелочную. В составе поглощенных катионов преобладает кальций (12,0 мг-экв./ 100 г). Содержание подвижного калия соответствует IV классу обеспеченности. Фосфора в избытке в течение всего вегетационного периода, но отмечается недостаток азота.

3. Наименьшие значения объемной теплоемкости имеет слабо уплотненный гумусовый горизонт (1,605-Ю6 Дж/(м3-К)), а наибольшие - почвообразую-щая порода (2,496-106 Дж/(м3-К)). Диапазон изменений температуропроводности от МГ до НВ в для гумусового горизонта составляет 17%, в переходном горизонте-22%.

4. Естественная влажность чернозема в течение вегетации под цветочными культурами, как правило, снижается, особенно в иллювиальном горизонте. В гумусово-аккумулятивном слое влагосодержание более динамично и в большей степени подвержено влиянию агмосферных осадков. Наиболее увлажненными являются почвы под лилиями, как в пахотном, так и подпахотном горизонтах.

5. Изменение влажности почвенных горизонтов определяет динамику те-плофизических характеристик в период вегетации: снижение теплоемкости в пахотном горизонте в пределах 12% - под цветочными культурами и до 16% - в пару, а также теплопроводности до 20%.

6. Формирование температурного режима почвы подчинено суточному ритму и особенностям лилейных культур. Наибольшие суточные изменения температуры наблюдаются на поверхности почвы на всех вариантах. Почва в чистом пару прогревается лучше, а более загущенные участки под лилейником и лилиями уменьшают суточные колебания температур почвы и способствуют формированию более устойчивого температурного фона.

7. Температурный профиль определяется особенностями лилейных культур. Более высокая температура в 2009 складывалась в черноземе под лилиями. Затенение почвы под лилейником снижает суточную сумму температур на 5-15%.

8. Температуры в пределах 10-15°С на всех исследованных агрофонах распространяются по всему деятельному слою (100 см), т.е. все генетические горизонты чернозема выщелоченного прогреваются до благоприятных в биологическом отношении температур. Весной переход температуры через нуль градусов в верхнем слое чернозема наблюдается с середины апреля.

9. Температурный режим чернозема выщелоченного в зимний период при условии раннего установления снежного покрова достаточно благоприятен для перезимовки цветочных культур. В целом высота снежного покрова над лилейником за весь период наблюдения, за некоторым исключением, превышает сне-

гонакопление над лилиями. Ко времени наступления сильных морозов формируется снежный покров, создающий достаточно надежную защиту от глубокого промерзания почвы. Основное влияние на интенсивность протаивания почвы оказывают погодные условия весеннего периода.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Для сохранения почвенной влаги требуется поверхностная обработка междурядий культиватором.

2. Для предотвращения вымерзания цветочных культур на случай малоснежной зимы вследствие действия температур, ниже критических предлагаем укрывать растения слоем сухих листьев, компостом, сосновыми иглами.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Бицошвили И.А. Агрофизические особенности черноземов выщелоченных при возделывании цветочных культур в условиях Алтайского Приобья [Текст] /А.И. Бицошвили//Вестник Алтайской науки, № 1 (8). - Барнаул, 2010. -С. 85-88.

2. Бицошвили И.А Влияние цветочных культур на теплофизические и агрохимические свойства чернозема выщелоченного в условиях Алтайского Приобья [Текст] / ИА. Бицошвили, A.A. Левин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - Барнаул, 2010. -№ 6. - С. 27-31.

3. Бицошвили И.А. Гидротермический режим черноземов выщелоченных под цветочными культурами [Текст] / И.А. Бицошвили, C.B. Макарычев // Молодежь - Барнаулу. - Барнаул, 2008. - С. 126-127.

4. Макарычев C.B. Режимы тепла и влаги в черноземе выщелоченном под цветочными культурами [Текст] / C.B. Макарычев, И.А. Бицошвили // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - Барнаул, 2009. - № 12. -С. 33-37.

5. Макарычев C.B. Температурный режим почвы в зимний период под лилейными (Temerocallis) культурами [Текст] / C.B. Макарычев, И.А. Бицошвили // сб. материалов научно-практической конференции «Молодые ученые». - Барнаул, 2009. - С. 21-23.

Подписано в печать 12.05.1011. Формат 60*840/16 Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №

Издательство АГАУ 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98

62-84-26

Содержание диссертации, кандидата сельскохозяйственных наук, Бицошвили, Ирина Алексеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЫ И МЕТОДЫ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2.0БШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ^

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЦВЕТОЧНЫХ КУЛЬТУР.

3.1. Лилия (Lilium).

3.2. Лилейник (Hemerocallis).

ГЛАВА 4. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО.

4.1. Агрофизическая характеристика чернозема выщелоченного.

4.2. Теплофизическая характеристика генетических горизонтов.

ГЛАВА 5. СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПОД ЦВЕТОЧНЫМИ КУЛЬТУРАМИ.

5.1. Особенности формирования сезонных изменений теплофизических свойств чернозема под цветочными культурами.

5.2. Гидротермический режим чернозема выщелоченного под цветочными культурами в теплое время года.

5.3. Особенности снегонакопления и температурного режима почвы под цветочными культурами в зимний период.

ВЫВОДЫ.:.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Режим тепла и влаги в черноземе выщелоченном под цветочными культурами семейства лилейных в условиях Алтайского Приобья"

Актуальность темы

Человека невозможно представить без цветов. Они наполняют нашу жизнь пёстрыми красками, поднимают настроение, отвлекают от повседневной суеты и серых будней.

Поэтому, возрастающий спрос на цветочную продукцию требует от специалистов широкого кругозора и готовности в любой момент перейти на высокотехнологичное выращивание растений. Это является стимулом для широкого внедрения агрохимии, выращивания цветочных культур на различных субстратах.

Именно растение способно из простых соединений - солей, углекислоты и воды — создавать необходимые для жизни человека белки, жиры и сахара. К.А. Тимирязев так говорил о роли зеленого растения: «Едва ли какой процесс, совершающийся на поверхности Земли, заслуживает в такой степени всеобщего внимания, как тот далеко еще не разгаданный процесс, который происходит в зеленом листе, когда на него падает луч солнца. — это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете, а следовательно, и благосостояние всего человечества» (Церлинг, Важенин, 1954).

Цветы служат не только как украшения, но и способны очищать воздух, снижать городской шум, способствовать психологической разгрузке. В нашем быту они занимают очень важное место. С каждым годом расширяется цветоводство, которое охватывает специфическую группу растений, не используемых в качестве пищевых продуктов, а служащих формированию эстетического мировосприятия.

Одним из самых важных условий повышения почвенного плодородия и получения устойчивых урожаев цветочных культур является создание, в первую очередь, оптимальных агрофизических свойств и гидротермических режимов в почвенном профиле, которые определяют особенности их питания.

Именно тепло и влага отвечают за интенсивность роста и развития корневой системы, а, в конечном счете, и самого растения.

В то же время тепловые потоки и движение влаги в почве зависят от совокупности теплофизических свойств и распределения температурных градиентов в ее профиле.

Более полное познание закономерностей формирования и проявления теплового режима в почвах садов Сибири с учетом изменения их arpo- и теплофизических свойств, вида растения очень важно, в связи с необходимостью разработки научно обоснованных агротехнических и мелиоративных приемов по направленному регулированию их гидротермических режимов.

Следует отметить, что сведений о процессах формирования теплофизического состояния почв, режимов тепла и влаги под какими-либо цветочными культурами недостаточно, особенно в Сибири. Поэтому комплексные исследования тепловых свойств и гидротермических режимов в почвенном профиле совместно с биологическими особенностями цветочных культур весьма актуальны.

Цель работы

Изучить особенности агрофизических, теплофизических свойств и гидротермического режима чернозёма выщелоченного под цветочными культурами семейства лилейных (на примере сортоиспытательного участка ГНУ НИИСС им. М.А. Лисавенко Российской академии сельскохозяйственных наук).

Задачи исследования - определить общие физические, водно-физические и физико-химические свойства чернозема выщелоченного;

-изучить тепло физические свойства генетических горизонтов чернозема;

-выявить особенности формирования сезонных изменений теплофизических свойств и гидротермического режима чернозема выщелоченного под цветочными культурами семейства лилейных;

-установить особенности снегонакопления и температурного режима почвы под цветочными культурами в зимний период. i

Научная новизна

Впервые экспериментально определены теплофизические свойства чернозема выщелоченного под цветочными культурами, изучено формирование годичного цикла температурного и гидротермического режимов почвы под лилейными культурами.

Выполненные исследования позволяют получить целостную картину теплофизического состояния почвенного профиля, оценить степень воздействия лилейных культур на температурный режим и теплопотоки в почве, с целью выработки последующей рекомендации по управлению тепловым и питательным режимами в её корнеобитаемом слое.

Защищаемое положение

Поступление, аккумуляция и распределение тепла в черноземе выщелоченном под цветочными культурами определяются его arpo- и теплофизическими свойствами, а также биологическими особенностями растений.

Практическая значимость

Знание теплофизических свойств и гидротермического режима позволяет оценить и прогнозировать распространение и аккумуляцию ресурсов тепла в почвенном профиле под лилейными культурами в условиях Алтайского Приобья. Это дает возможность управления запасами тепла и влаги с помощью агротехнических и мелиоративных приемов с целью создания оптимальных условий для выращивания цветочных растений.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на научно-практической конференции института природообустройства «Приоритетные направления научных исследований в области природообустройства» (г. Барнаул, 2008 г, 2009 г, 2010 г), Всероссийском открытом заочном конкурсе достижений талантливой молодежи «Национальное достояние России» (Министерство образования и науки РФ, постановление № 2 от 22.03.2010 г). Реализован грант Министерства сельского хозяйства по теме исследования (Общероссийская общественная организация «Российское аграрное движение - РАД», письмо № 23 от 13.05.10 г).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях, в том числе две работы в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК РФ. Объем публикаций составляет 1,21 п.л., доля автора - 1,09 п.л.

Структура и объем

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка литературы. Содержание работы изложено на 129 страницах печатного текста, включая 11 таблиц, 25 рисунков. Список используемой литературы включает 175 отечественных и зарубежных источников.