Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ЧЕРНОЗЁМОВ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ В ЗЕРНОПАРОВОМ СЕВООБОРОТЕ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ЧЕРНОЗЁМОВ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ В ЗЕРНОПАРОВОМ СЕВООБОРОТЕ"

А-лгз/г

>

На правах рукописи

«у/-

ВЕЛИЧКИНА СВЕТЛАНА ВЛАДИМИРОВНА

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ЧЕРНОЗЁМОВ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ В ЗЕРНОПАРОВОМ СЕВООБОРОТЕ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведеине, агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Барнаул - 2005

Рабата выполнена в Алтайском государственном аграрном университете

Научный руководитель: доктор биологических наук

C.B. Макарычев

Официальные оппоненты: доктор с.-х. наук И.Т. Трофимов

кандидат с.-х. наук С.И. Завалишин

Ведущая организация: Владимирский НИИ сельского хозяйства

Защита состоится «£?» 0fW£Jt& 2005 г. в час. на заседании

диссертационного совета Д 220. 002. 01 при Алтайском государственном аграрном университете.

Адрес: 656038, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98 Факс (3852) 38-06-52 E-mail: rassvial@almk.attai.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Алтайского государственного аграрного университета

Автореферат разослан » JUetp&Ct, 2005 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 — В.А. Рассыпное

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Зерновые культуры имеют важнейшее значение для населения всего земного шара. Хлеб - основа питания человека, зерно - концентрированный корм для сельскохозяйственных животных н сырье для многих отраслей промышленности. Увеличение производства зерна — основная задача земледелия.

В тоже время зерновые культуры весьма требовательны к условиям произрастания и, в первую очередь, к почве и ее плодородию. Одним из непременных условий повышения почвенного плодородия и получения высоких и устойчивых урожаев зерновых культур является создание оптимальных агрофизических свойств и гидротермических режимов в почвенном профиле.

Именно тепло и влага определяют интенсивность пищевого режима, жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, отвечают за рост и развитие корневой системы растений, а, в конечном счете, за урожай. Но, тепловые потоки и движение влаги зависят от совокупности тегигафизических свойств и распределения температурных полей в почве. К этим свойствам относятся объемная теплоемкость, тепло - и температуропроводность почвы.

В то же время аспект взаимного влияния различных сельскохозяйственных культур и воднотепловых режимов в почвенном профиле недостаточно проработан. Отсутствуют данные о формировании теплофизического состояния почв в условиях Юго-Восточной части Западной Сибири в зависимости от способа подготовки паров под яровую пшеницу. Поэтому комплексные исследования тепловых свойств и гидротермическ их режимов потенциально плодородных чернозёмов во взаимосвязи с агротехникой выращивания зерновых культур весьма актуальны.

Цель работы: изучить тепл офиз ические свойства и гидротерм ичес кие режимы в чернозёмах выщелоченных под различными сельскохозяйственными культурами в зависимости от способа обработки почвы.

Задачи исследований

1. Исследовать теплофизические свойства чернозёма выщелоченного в зависимости от почвенно-физических факторов.

2. Установить динамику запасов тепла и влаги в почвенном профиле в условиях зернопарового севооборота.

3. Выявить особенности изменений тештофнзических коэффициентов почвы на различных агрофонах за период вегетации.

4. Изучить влияние приёмов парования на формирование режимов тепла и влаги в чернозёмах Приобья.

UHF мгха

фонд

»0 /-dfj/s

5. Изучить влияние способов обработки почвы на урожайность яровой пшеницы.

Научная новизна

Получены аналитические зависимости теплофизическнх свойств черноземов от поч ве н но-ф из ичес ких показателей.

Изучена динамика сезонных г ид ротер м ическ их режимов чернозёма в зерно паровом севообороте.

Впервые в условиях Юго-Восточной части Западной Сибири установлено влияние минимальной обработки почвы на формирование запасов тепла к влаги, обеспечивающее повышенную урожайность яровой пшеницы.

Экспериментально выявлено, что парующиеся выщелоченные чернозёмы Алтайского Приобья в летнее время обладают высокой теплоак-кумуляционной способностью. В то же время отмечена их слабая гидрологическая рань как алагонакопнтелей.

Защищаемые положения

- поступление, аккумуляция и распространение тепла в чернозёмах выщелоченных зависят от их arpo- и теплофизических свойств, особенностей растительного покрова и способов обработки почвы.

Практическая значимость

Выявленные закономерности формирования гидротермического режима чернозема выщелоченного в условиях зернопарового севооборота позволяют оценить и прогнозировать характер и степень изменения теплофизических свойств, особенностей теплообмена и теплоаккумуляции в его генетических горизонтах, а также открывают возможности управления запасами тепла и влага с помощью агротехнических мероприятий.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на конференции молодых ученых Сибирского федерального округа (г. Улан-Удэ, 2004 г.), на научно-практических конференциях Алтайского государственного аграрного университета (г. Барнаул, 2005 г.), института Природообустройства (г, Барнаул, 2005 г.).

Основные результаты исследований опубликованы в 4 статьях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы н приложений. Содержание работы изложено на 137 страницах печатного текста, включая 30 таблиц, 23 рисунка, 3 приложения. Список использованной литературы включает 146 источников, в том числе 12 на иностранных языках.

ГЛАВА I. ПОНЯТИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ И МЕТОДЫ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Почвенный климат, в частности гидротермический режим, играет важнейшую роль в земледелии. Формирование температурных полей в почве определяется её теплофизическими свойствами: теплоёмкостью, тепло - и температуропроводностью, которые в свою очередь, являются функциями целого ряда почвенно-физическнй факторов, таких как влажность, гранулометрический состав, плотность сложения, порозиость, содержание органического вещества. Это предопределяет, с одной стороны, неоднородность почв по теплофизическим параметрам, а с другой, большие практические возможности для направленного воздействия на почвенный климат и, тем самым, на процессы почвообразования и условия жизни растений.

Больший вклад в изучение теплофизическнх свойств почв внес А.Ф, Чудновский (1947, 1976); В.Н. Димо (1967); C.B. Макарычев (1981, 1996) и др.

Несмотря на то, что изучение те пл оф из ич еского состояния (ТФС) почвы велось достаточно активно, многие области почвенной теплофизики остались недостаточно изученными. Мало информации по влиянию различных культур на тепловые свойства почвы, хотя влияние это может быть довольно существенным и неодинаковым в зависимости от характера развития и мощности корневой системы той или иной культуры. Нет информации о том, как влияет различная обработка почвы на ей теплофизическис свойства.

В связи с этим нами предприняты дальнейшие шаги в изучении тепло-физического состояния почв на примере чернозёмов выщелоченных под различными сельскохозяйственными культурами в зависимости от способа обработки почвы (Учебно-опытное хозяйство «Пригородное»),

Определение физико-механических свойств, а так же полевые опыты были проведены в соответствии с принятыми в агропочвоведении и агрохимии методиками. Исследования теплофизических коэффициентов почвы в естественных условиях проводились при помощи портативного прибора.

ГЛАВА II. ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводили в зоне черноземов обыкновенных умеренно-засушливой степи Алтайского края в учебно-опытном хозяйстве «Пригородное» на пахотных почвах. Объектом исследований явились чернозёмы выщелоченные в условиях зернопарового севооборота.

Исследованные черноземы малогумусные. Пахотный горизонт содержит около 4% органического вещества, количество которого при переходе к нижележащим горизонтам быстро снижается и в иллювиальном горизонте составляет около 1%, а на глубине 1 метр практически исчезает.

Черноземы содержат значительное количество ила: в пахотном слое его доля составляет 27,97%, в иллювиальном горизонте В — 24,24%.

Плотность пахотного слоя за вегетацию меняется от 1,1 до 1,14 г/см3 в зависимости от агрофона, а с глубиной она увеличивается до 1,5 г/см3.

Значения водно-физических свойств в профиле чернозёма сильно дифференцированы. Наименьшая влагоёмкость гумусово-аккумулятивного горизонта составляет 27-29%. Влажность разрыва капилляров 19-21% от массы почвы.

Район проведения исследований характеризуется значительными колебаниями температуры воздуха по периодам года. Однако, в целом температурный режим в годы исследований был теплее в сравнении со среднемно-голетн им и данными (рисунок 1).

т.*с

Г,мм

Рис. 1. Метеорологические условия за годы исследования поданным метеостанции АНИИСХ, Научный городок, г. Барнаул

Самым теплым в годы исследований оказался июнь 2003 года (+19,1°С). Безморозный период по годам колеблется в пределах 142-146 дней. По количеству осадков годы исследований также отличаются от сред не много летних данных.

Зз время проведения исследований осадков выпадало больше нормы за 2000-200! гг. на 14,5% (546 мм), за 2001-2002 гг. на 0,8% (490 мм). Отличным от предыдущих лет по количеству выпавших осадков был 2002-2003 сельскохозяйственный год, количество которых составило 353,8 мм, что на 25,8% ниже нормы.

Агротехника в опытах состояла из следующих операций: на одном из вариантов поле обрабатывалось по типу пара черного. Основная обработка проводилась после уборки предшественника (сентябрь) культиватором КПГ - 250 на глубину 25-27 см;

другой вариант предполагал обработку по типу пара раннего с помощью культиватора КПЭ - 3,8 на 8-10 см (май).

В период парования по всем вариантам проводилась поверхностная обработка по мере появления всходов сорняков культиватором КПЭ - 3,8 на 8-10 см с последующим прикатывай нем.

Для борьбы с сорняками использовался гербицид сплошного действия раундап в дозе 5 л/га (июнь).

ГЛАВА III. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ ПРИОБЬЯ

Объёмная и удельная теплоёмкость (Ср, С), тепло - и температуропроводность (X, а) почвы сложным образом зависят от почвенно-физических факторов. Нами были определены аналитические выражения этих зависимостей.

При изменении температуры в диапазоне 10-50°С теплопроводность влажной почвы линейно увеличивается на 20%. Изменение тепло - и темпе-ратуропроводнлсти влажного чернозёма характеризуется параболической зависимостью:

Jt-io+BT1, где В — постоянная величина.

При увлажнении чернозёма от 0 до ПВ теплоёмкость его возрастает на 200-300% в соответствии с уравнением:

С„ = Сро + Сжиро,

где Сро - объёмная теплоёмкость сухой почвы; Сж - удельная теплоёмкость воды; р0 — плотность почвы; U - влажность почвы.

Зависимость температуропроводности от влажности сложная, близкая к параболической, выражается формулой:

a = a4„-10J.(U-UM„)1, где аи„ - максимальная температуропроводность, м2/с; U - влажность, %; ииа, — влажность при максимальной температуропроводности, %.

С повышением влажности температуропроводность резко возрастает, достигая максимума при ВРК, а дальнейшее увлажнение приводит к ей снижению. Это обусловливается тем, что в чернозёмах выщелоченных наиболее благоприятные условия для диффузионного тепломассопереноса создаются при влажности близкой к ВРК, когда почвенный воздух становится полностью насыщенным паром, а воздухоносные почвенные поры ещё не разобщены водяными пробками. Дальнейшее увлажнение приводит к обводнению части пор, что нарушает связность системы воздухоносных пор и уменьшает температуропроводность.

Увлажнение влечет также рост теплопроводности по закону:

Ь-ипИХо-е-4"').

где 1/пв ~ полная елагоемкость, %; ^ - теплопроводность при нулевой влажности, Вт/(м-К); <1 - угол наклона начального отрезка графика; II -влажность, %.

Уплотнение почвы линейно увеличивает теплоемкость, а температуропроводность чернозема при уплотнении экспоненциально снижается согласно уравнению:

а = а„е

где а - температуропроводность при плотности 1000 кг/м3; к - коэффициент, равный 0,175*10'3 м3/кг.

Согласно полученным данным с глубиной объемная теплоемкость исследованной почвы для абсолютно сухого состояния растет. Такое поведение, прежде всего, обусловлено изменением плотности сложения почвенного профиля. В таблице I представлены также изменения коэффициентов тепло- и температуропроводности почвы в профиле чернозема.

Увеличение плотности и снижение порозности с глубиной, т.е. изменение условий молекулярного переноса энергии служат главной причиной уменьшения температуропроводности нижележащих горизонтов. Из таблицы 1 видно, что при одних к тех же гилроконстантах наименьшие значения теплоемкости и теплопроводности наблюдаются в пахотном слое, а с глубиной закономерно увеличиваются. Например, при влажности завядания теплоемкость возрастает при переходе от Ап к С на 138%, а теплопроводность при этом меняется на 130%. С повышением влажности почвы значения теплофизическнх коэффициентов в профиле имеют тенденцию к выравниванию. Коэффициент температуропроводности с увеличением влажности интенсивно растет и достигает максимума при влажности равной ВРК. Такая степень увлажнения обеспечивает наилучшие условия для совместного проявления контактного и диффузионнго механизмов теплопередачи в почве, т.е. передачи тепловой энергии через еб твердую, жидкую и воздушную фазы.

Таблица I

Теплофизическме коэффициенты чернозема выщелоченного при различных гидролога чески х константах и для сухого состояния

0 - 20 см

Сухая МГ вз ВРК НВ ПВ

0,945 1,230 1,331 1,835 2,143 3,170

а, 10"4м2/с 0,390 0,484 0,532 0,623 0,578 0,420

К Вт/мК 0,369 0,595 0,708 1,143 1,239 1,331

Ь, 10"3 Дж/м5Юс,/г 0,590 0,856 0,971 1,448 1,629 2,054

20 - 30 см

Ср, 106Дж/м3-К 1,359 1,546 1,615 2,020 2,290 3,383

а, Ю'м^с 0,372 0,510 0,560 0,764 0,605 0,406

Вт/мК 0,506 0,789 0,905 1,541 1,389 1,373

Ь, 10"* Дж/м1К*с'п 0,829 1,104 1,209 1,766 1,757 2,293

50 - 60 см

Ср, 106Дж/м3-К 2,125 2,418 2,5 М 2,900 3,130 3,817

а, ЮЛ|г/с 0,260 0,320 0,386 0,435 0,412 0,380

X, Вт/м-К 0,553 0,773 0,969 1,325 1,402 1,375

Ь, 10"1 Дж/м'К-с"1 1,084 1,368 1,560 1,910 2,18 2,350

90 - 100 см

Ср, 10'Дж/м*-К 2,923 3,099 3,162 3,459 3,677 4,113

а, Ю^м^с 0,286 0,360 0,515 0,604 0,560 0,443

К Вт/мК 0,836 1,116 1,628 2,089 2,059 1,822

Ь, 10° Дж/м1К*с"1 1,563 1,859 2,269 2,688 2,752 2,479

ГЛАВА IV. СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМОВ И ИХ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА В ЗЕРНОПАРОВОМ СЕВООБОРОТЕ

Рост к развитие растений оказывает влияние на динамику теплофизиче-скнх свойств почвы.

Послойные значения влажности и плотности в метровом слое чернозёма в пару, а также под рожью, пшеницей и горохом позволяют проследить сезонные изменения теплофизических коэффициентов.

Какой либо закономерности в динамике теплоёмкости пахотного слоя за вегетацию выявить не удалось, поскольку её значения определяются складывающимися в почве гидротермическими условиями. Несомненно, одно, что с глубиной она возрастает на всех агрофонах. Так, в начале июля 2001 года в слое 0-10 см под рожью теплоемкость составляет 0,86" Ю6 Дж/(м3-К), а на тридцатисантиметровой глубине уже 1,47* 10й Дж/(м*К). Аналогичные изменения отмечены и в пару и распространяются на весь срок наблюдений.

На рисунке 2 показано изменение интегрального коэффициента теплопередачи (теплопроводности) с глубиной в отдельные сроки наблюдений летом 2001 гола.

В первой декаде июля минимальной теплопроводностью характеризовался профиль чернозема в паровом поле до глубины 55 см.

Под пшеницей теплопроводность была максимальной в силу повышенной здесь плотности почвы. Значения теплопроводности под рожью и горохом оказались достаточно близкими и занимали промежуточное положение.

Наибольшие отличия в теплопроводности чернозёма на разных агрофонах были зафиксированы на глубине 20-25 см и составили около 50% (пар-пшеница).

На глубине 55 см значения теплопроводности почвы на изученных вариантах оказалась почти равными и близкими к 0,55 Вт/(м*К).

Характер изменения теплопроводности с глубиной в третьей декаде июля сохранился, но минимальной она оказалась в почве под горохом, а наибольшей также под пшеницей. При этом максимальные различия сохранились на той же глубине, но составили уже 25% между паром и пшеницей.

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 изменение во времени.

x , вци к )

Рис. 2, Изменение теплопроводности с глубиной под сельскохозяйственными культурами (А-Э июля; Б-23 июля 2001 Г.)

При анализе полученных данных было замечено, что температура поверхности почвы в пару на 7-10°С выше, чем под сельскохозяйственными растениями (рисунок 3). В ночное время зга разность сокращается до 4-5°С. На глубине 10 см амплитуда температурных колебаний значительно ниже, но в пару остаётся выше, чем под растениями. Кроме того, можно отметить, что температурные максимумы и минимумы с глубиной смещаются вправо, т.е. запаздывают во времени на два три часа. Различия в температурном режиме почвы под агроценозами в данный момент времени выражены слабо -не превышают 1-2°С. 5

13>«e liiSU l»iO* liOO 7iOO IOiM lito»

лшепоа -§- режь -t- горох -е- кар

Рис. 3, Суточная динамика температура на поверхности почвы 2-3 мюля 2001 г.

Знание теплофизических коэффициентов и динамики температурных режимов в профиле чернозёма позволило рассчитать тепловые потоки в верхнем 20-ти см пахотном слое почвы за всё время наблюдений (2001 — 2003 гг.).

Суточные теплопотоки как в первой, так и в третьей декадах июля 2001 года в паровом поле максимальны и достигают соответственно 56,3 и 81,1 Вт/м2 (таблица 2). Минимальны они под рожью: 19,5 и 36,3 Вт/м2. Такие же различия сохраняются и в отдельные сроки наблюдений. Наиболее интенсивно тепло поступает в почву в июле с 10 часов утра до 16 часов дня. Но уже в промежуток времени с 16^ до 19^ тепловые потоки меняют знак, что означает выход тепла из почвы в атмосферу.

Таблица 2

Тепловые потоки (Р, Вт/м1) в пахотном слое выщелоченного чернозема (числитель — 2-3 июля; знаменатель — 23-24 июля 2001 г.)

Культура Пар Пшеница Рожь

Суточный поток 56.3 81,1 54,5 58,7 ш 36,3

Аналогичные закономерности прослеживаются и летом 2002 года. В более засушливый 2003 год солнечная инсоляция увеличила температурные градиенты в почве, результатом чего явилось повышенное поступление теп-

ла в почву, которое на пару за сутки достигло в июне 190,4 а в июле 213,0 Вт/м2. Возросли также потоки и под рожью, но остались меньше, чем в чистом пару.

Важным интегральным показателем, который наиболее полно характеризует температурный режим в почвенном профиле, может быть сумма суточных температур на различной глубине почвенной тсшши (таблица 3).

Данные таблицы 3 показывают, что почвенный профиль под чистым паром прогревается лучше, о чём свидетельствует сумма температур, как в пахотном слое чернозёма, так и в подстилающих слоях почвы.

Таблица 3

Сумма температур Т, С (числитель — рожь, знаменатель — пар)

\Срок 2001 год 2002 год 2003 год

h, см \ 3 июля 23 июля 16 июня 15 июля 18 августа 26 июня 16 июля 10 сентября

0 119,8 144,4 ИМ 165,7 77.9 82,3 1218 153,7 тл 195,4 150.0 185,5 142.9 146,9 ILS 71,8

5 118.7 138,1 139.1 160.2 64.0 72,7 124.7 142.8 128.6 178,7 I4L1 160,4 129,9 137,9 Ш 46,3

10 117.3 130,0 тл 157,8 63.5 77,0 120.1 137.8 тл 169,1 133.8 142,4 129.0 129,3 МЛ 38,6

15 114.5 127,8 131.3 148,7 62.4 65,8 ШЛ 119.6 114.1 155.2 132.9 138,2 130.5 138,4 ил 36,7

20 110.2 124,3 127.6 148,3 56.3 56,5 97.6 Ш,1 112.1 131,8 129.5 131,9 121,1 121,9 28.6 32,4

50 111.5 121,0 тл 141,2 54.2 58,1 84.5 93,1 91,4 112,4 105.3 99,2 —

100 110.8 120,6 120.9 136,3 50.9 56,1 73.6 79.8 Ш. 105,8 87.4 2М —

Такая тенденция сохраняется во все годы наблюдения, что подтверждает роль пара на выщелоченных чернозёмах Алтайского Приобья, в первую очередь, как конденсатора тепла.

Динамики почвенной влажности (таблица 4) и теплофнзических коэффициентов на разных агрофонах показывает, что наиболее высокие и мало

меняющиеся в течение вегетационного периода значения тепло- и температуропроводности, а также теплоёмкости и теплоусвояемости почвы складываются в профиле чернозёма под чистым паром, где создаются условия длительного увлажнения в пределах НВ - ВРК и аэрации, превышающей 20% от объёма почвы, благоприятствующие проявлению контактной и пародиф-фузионной теплопередачи. Этому способствует и резко выраженная в пару не изотерм ичность почвенного профиля, поэтому здесь формируется температурный режим, характеризующийся наибольшим теплообменом, теплоак-

кумуляцией и интенсивным, глубоким прогреванием почвенной толщи.

Таблица 4

Динамика полевой влажности (и, мм), 2001-2003 гг. (числитель - рожь, знаменатель - пар)

\Срок 2001 год 2002 год 2003 год

Ь, см\ 3-4 июля 23-24 июля 16-17 июня 15-17 июля 18-19 августа 26-27 июня 16-17 июля 10-11 сентября

0-20 14.3 11,1 шл 43,3 60.3 48,2 25Л 30,1 30.5 27,0 40,6 64,4 25,6 36,5 30,3 30,9

0-50 11*8 43,8 62.3 81,1 137.0 120,0 И 7.0 91,4 ПА 92,7 ил 94,6 64,9 80,3 68.3 72,7

0-100 51.9 76,2 Ш. 104,0 183.0 163,0 160.0 124,0 (30,0 130,0 — — —

Следует отметить, что данные по режиму почвенной влажности в летний период свидетельствует о слабой гидрологической роли чистого пара как влагонакопителя на выщелоченных чернозёмах Алтайского Прнобья, что отмечали и другие исследователи (Лешков, 1970; Руденко и др., 1978).

В то же время данные о динамике тепловых свойств и температурах почвы в пару свидетельствуют об очень важной в условиях Сибири тепло-мелиоративной роли пара, следствием чего является активизация биологических процессов в паруюшейся почве и обогащение питательными элементами, особенно азотом.

Оптимальный для развития растений гидротермический режим в определённой степени зависит от способов обработки почвы, поэтому нами была предпринята попытка проследить их влияние на режим тепла и влаги в пахотном слое чернозёма (рисунок 4).

Так, под пшеницей при использовании поверхностной обработки влаго-солержанне в почве выше, чем при глубокой обработке. В первой декаде июля верхний 50-ти см слой почвы содержит соответственно 58,4 и 45.2 мм, а в метровой толше эта разница составляет уже 35,4 мм. В то же время в паровом поле складывается иная картина.

Рис. 4, Динамика полевой влажности почвы при разной обработке (1-2 июля; 2-23 июля 2001 г.)

Анализ данных позволяет сделать вывод, что глубокая обработка способствует большему впитыванию выпадающей в виде дождя влаги и последующей фильтрации ев в нижние слои почвенного профиля. Поверхностная же такого впитывания не обеспечивает (в пару) и часть влаги теряется, видимо, в результате поверхностного стока.

Таким образом, поверхностная обработка обеспечивает более благоприятный режим влажности под зерновыми культурами, а глубокая способствует накоплению влаги при выпадении осадков.

Особенности водного режима в годы исследований определили формирование теплофизического состояния в профиле чернозёма.

В таблице 5 представлены результаты определения объёмной теплоёмкости почвы, которые показывают, что по фону поверхностной обработки в 30-ти см слое почвы под пшеницей этот показатель выше, чем при глубокой обработке. И если в обработанном верхнем 10-ти см woe разница несущественна, то на глубине 10-20 см 2 июля 2001 года она равна 42 и 45% соответственно. В конце июля глубокая обработка привела к росту теплоакку-муляиии, в то время как при поверхностной, на тех же глубинах, наблюдалось её снижение.

Оптимальное увлажнение чернозёма в пределах НВ-ВРК за весь период наблюдений обеспечило высокие значения температуропроводности в верхних слоях почвенного профиля. Под пшеницей поверхностная обработка определяет повышенную величину температуропроводности, особенно на глубинах 10-30 см (0,675* 1 0"Чг/с), так как при этом почвенный слой сохраняет свою ненарушенную структуру и капилляры обеспечивают быстрый перенос тепла в почве.

Таблица 5

Динамика теплоемкости в почве в полях зернопарового севооборота (Ср, 10* Дж/(ма К)), 2001-2002 гг. (числитель - поверхностная обработка, знаменатель - глубокая обработка)

Срок 2 июля 2001 г. 23 июля 2001 г.

Ь, см пшенниа пар пшеница пар

0-10 0д98 0,92 йм 0,97 1,17 1,08 1.23 1.24

10-20 1.42 1,01 0.88 1,15 1.17 ¡,08 1.23 1,26

20-30 1.80 1,24 1,47 1,43 .Ш 1,47 ,1.2.4 1,54

Срок 16 июня 2002 г. 18 августа 2002 г.

Ь, см пшеница пар пшеница пар

0-10 1.23 1,30 1.20 1,34 0.96 0,88 1.03 1,00

10-20 1,24 1,61 1.20 1,39 1.07 1,02 и2 1,17

20-30 Ш 1,61 1.40 1,54 1.06 1,20 1.48 1,60

Нарушенное сложение агрегатов чернозёма при глубокой обработке снижает возможности теплопереноса за счёт диффузии воздуха и паров воды, поскольку капилляры при этом разорваны, и действует только перенос тепла через контакт между твёрдыми частицами. Температуропроводность здесь составляет 0,624х 10^м2/с. В верхнем 10-ти см слое различия между вариантами несущественны или определяются его влажностью. Аналогичный характер распределения тем пературо по водности в гумусово-аккумулятивном горизонте чернозёма прослеживается и в парующейся почве.

Различные способы обработки оказывают влияние на изменение теплопроводности чернозёма с глубиной. Анализ полученных данных показал, что в парующейся почве на глубине 15 см теплопроводность по фону поверхностной обработки меньше. Ниже по профилю (25-35 см) на переходе к под плужной подошве распределение теплопроводности меняется и остается увеличенным по фону поверхностной обработки.

Большой интерес представляет формирование температурного режима в чернозёмах, поскольку он определяет подвижность почвенного раствора и скорость поступления питательных элементов к корням растений. Мы исследовали влияние способа обработки почвы по фону чистого пара в отдельные сроки наблюдений, поскольку характер изменения температуры сохраняется в течение всего периода исследований. Полученные результаты показали, что температура почвы по глубокой осенней обработке, как на поверхности, так и на глубине 10 см оказывается выше, чем по поверхностной обработке. При этом в жаркие дни 24 июля 2001 года и 18 августа 2002 года разность температур составляет от 4 до 5°С. В прохладные дни она падала до 1-2°С. Ночью эти различия уменьшаются.

Наибольший интерес для характеристики теплового состояния почвы при различных способах обработки представляет суточная сумма температур в пахотном слое (рисунок 5).

медь М'ус( июнь мггс* иепь ян-уст морь ануст

2001 г. 2002 г.

Рис, 5. Сумма суточных температур в почвенном слое 0-20 см при разных обработках: I - поверхностная; II - глубокая

Из рисунка видно, что суточная сумма температур парующейся почвы при глубокой обработке имеет более высокое значение. Так, в конце июля 2001 гола ее значение составляет 848,30С по глубокой обработке и 780,7°С по поверхностной, а в июле 2002 года 872,8°С и 830,2*0 соответственно.

Таким образом, результаты исследований показывают, что теплоаккуму-ляционные показатели чистого пара при глубокой осенней обработке выше, нежели при поверхностной обработке почвы.

На рисунке 5 также представлена сумма суточных температур в почве под пшеницей. Оказалось, что при использовании поверхностной обработки эта сумма превышает значения интегральной температуры по фону глубокой обработки (при глубокой обработке она равна 666,5°С, а при поверхностной - 765,5°С). Таким образом, при поверхностной обработке, за вегетацию накапливается значительная сумма температур, которая, наряду с повышенной влажностью, способствует более интенсивному усвоению растениями питательных элементов.

ВЫВОДЫ

1. Исследованные выщелоченные черноземы малогумусные (менее 4%) среднесугл инистые. В профиле имеют место легкосуглинистые горизонты. Плотность пахотного слоя за вегетацию меняется от 1,1 до 1,14 г/смэ в зависимости от агрофона, с глубиной увеличивается 1,5 г/см5. Наименьшая вла-гоёмкость гумусово-аккумулятивного горизонта составляет 27-29%. Влажность разрыва капилляров 19-21% от массы почвы.

2. Нижние горизонты метровой толщи чернозёма имеют повышенные значения теплоёмкости и теплопроводности как в сухом, так и в увлажненном состоянии. Так, при НВ теплопроводность пахотного слоя составляет 1,2 Вт/ (м-К), а подстилающей породы уже 2,1 Вт/ (м-К). Распределение температуропроводности обусловлено как дисперсностью, так и порозно-стью почвенного профиля.

3. Особенности уплотнения и увлажнения чернозёма на разных агрофо-нах в летнее время определяют его теплофизические коэффициенты. Так, температуропроводность на исследованных вариантах изменялась в пределах 8-12%, т.е. незначительно. Максимальные различия (50%) в теплопроводности по агрофонам (пар-пшеница) зафиксированы на глубине 20-25 см, а в иллювиальном горизонте В они исчезают.

Теплоёмкость в начале вегетации максимальна на пшеничном (1,61 х106 Дж/(м3 К» и минимальна на ржаном (1,17*104 Дж/(м3К)) полях, что обусловлено влагосодержанием пахотного слоя. В конце лета теплоёмкость в парующемся чернозёме на 19% выше, чем под злаковыми культурами.

4. Температура поверхности почвы в пару днем на S-IOt выше, чем под сельскохозяйственными культурами. Ночью эта разность сокращается до 3-4°С. На глубине 10 см амплитуда температурных колебаний значительно ниже и запаздывает на 2-3 часа. Различия в температурном режиме чер-

нозёма под агроценозами в ночное время выражены слабо и не превышают 1-2°С.

5. В течение всего вегетационного периода потоки тепла в парующемся чернозёме в 1,5-2,0 раза превышают теплопотоки под зерновыми культурами, Так, в первой декаде июля 2001 года в паровом поле они составляют 56,3 Вт/м2, а в последней — 81,1 Вт/м2. В тоже время под рожью они равны 19,5 и 36,3 Вт/м^соответственно. Наиболее интенсивно тепло поступает в почву с 10^ утра до 16й* дня. Быстрее охлаждается почва в период с 19® до 1— часа ночи.

6. На формирование режима влаги в чернозёме существенное влияние оказывает способ обработки почвы. Поверхностная обработка по фону пшеницы обеспечивает повышенное увлажнение, чем глубокая. Так, в июле 2001 года верхний 50-ти см слой чернозёма содержит соответственно 58,4 и 45,0 мм влагозапасов. В метровой толще эта разница составляет 35,4 мм. В парующейся почве наблюдается обратная картина, где влаги накапливается больше по фону глубокой обработки, особенно при выпадении значительных осадков.

7. Температура почвы в паровом поле по глубокой осенней обработке, как на поверхности, так и на глубине 10 см оказалась выше, чем по поверхностной. Это подтверждается значениями суммарной суточной температуры пахотного слоя чернозёма, которые в июле 2001 года составили 843 и 78!°С, а в июле 2002 года 873 и 83О С соответственно. Таким образом, теп-лоаккумуляиионные показатели чистого пара при глубокой осенней обработки почвы выше, чем при поверхностной.

8. Под пшеницей по поверхностной обработке суточные суммы температур на глубине 0-10 см оказываются выше на 4-9°С, чем по глубокой. В итоге за вегетацию в первом случае накапливается значительная сумма температур, которая на фоне повышенной влажности способствует более интенсивному усвоению растениями питательных элементов и формированию более высокой урожайности зерна яровой пшеницы.

9. Прибавка урожая зерна пшеницы при поверхностной обработке на 0,30 т/га выше чем при глубокой. При этом были сокращены затраты, снижена себестоимость и увеличен чистый доход. Кроме того поверхностная обработка позволила сократить энергетические затраты и увеличить коэффициент экономической эффективности.

Рекомендации производству

Для создания оптимального гидротермического режима в черноземах выщелоченных, обеспечивающего повышение урожайности зерна яровой пшеницы целесообразно рекомендовать поверхностную обработку почвы.

Список опубликованных работ

Статьи

1. Величкина C.B. Влияние сельскохозяйственных культур на гидротермический режим чернозема выщелоченного в условиях Алтайского приобья // Материалы конференции молодых ученых Сибирского федерального округа «Научное обеспечение устойчивого развитии АПК в Сибири». Часть II. - Улан-Уде; Изд-во ФГОУ ВПО «БГСХА им. В.Р. Филиппова». - 2004. - С. 21-23.

2. Величкина C.B. Влияние способа обработки зерновых культур на динамику температуры в чернозёмах выщелоченных Алтайского Приобья. обработки // Вестник БГПУ, Барнаул. - 2004.-№ 4 . - С. 90-92.

3. Макары че в C.B., Величкина C.B. Формирование режима тепла и влаги в чернозёмах Приобья при различных способах обработки // Вестник АГАУ, Барнаул. - 2003. - № 4 (12). - С. 16-2).

4. Макарычев C.B., Величкина C.B. Влияние способа обработки на гидротермический режим чернозёма выщелоченного в условиях Алтайского Приобья // Вестник АГАУ, Барнаул. - 2003. - № 4 (12). - С. 21-24.

ЛР Xs 020648 от 16 декабря 1997 г.

Подписано в печать 18.03.2005 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл. - печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ №35.

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

»-5 7 48