Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Теплофизические свойства почв Юго-Западной Сибири

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Теплофизические свойства почв Юго-Западной Сибири"

, с , р, г УЗЗЗ

» 3 МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА,

' ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

уда 631.436

МАКАРЫЧЕВ Сергей Владимирович

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОШТВА ПСЧ* ЮГО-ЗАПАДОИ СИБИРИ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение и агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в Барнаульском ордена Трудового Красного Знамени государственном педагогическом институте.

доктор биологических наук Е.В.Шеин доктор биологических наук А.И.Поздняков доктор биологических наук О.И.Худяков

Ведущее учреждение: Алтайский государственный аграрный университет, г.Барнаул

Защита состоится " $ " 1993 г. в ^ часов

в аудитории на заседании Специализированного совета по

почвоведению Д053.05.31 в МГУ им.М.В.Ломоносова по адресу: Москва,119899 .Ленинские горы,МГУ,факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Специализированного совета по почвоведению в МГУ. Отзывы на автореферат в двух экземплярах,заверенные печатью, прооим направлять по указанному выше адресу.

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета <

СЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем«, Повышение плодородия пахотных земель ' и проективности возделываемых на них культур требует целенаправленного регулирования не только паевого,но и тесно связанного о нии гидротэрмкческого реяиьа почи.

Закономерности, формирования теплового рея;ига,а,следовательно, и обусловливающие их процессы теплоаккумуляции и теплопередачи в почве;шои профиле прежде всего определяются теплофизическшгл свойствами почвы: теплоемкостью,топло- и температуропроводностью.Они в свою очередь являются функцией целого ряда почвенно-фкзических факторов,таких как гранулометрический состав,влажность,плотность слсгкения и порозяость,содержание органического вещества и другие. Это предопределяет,с одной стороны,неоднородность почв по тепло-физическим параметрам,а с другой,большие практические возможности для направленного воздействия на почвенный климат и,тем сш.:ш,на процессы почвообразования и условия жизни растений.

Актуальность исследование: теплофлз;гаеского состояния почв в Сибири возрастает в связи с развитием пуфоиелисрйцкЯ и необходимостью вовлечения в сельскохозяйственное производство комплекса засолении: почв в ряде районов сухостепной зоны Сго-Западаой Сибири.

Однако,тенлофизетоекпе показатели наиболее ценных нечв данного региона изучены недостаточно.Отсутствует Целостная кзртгаа зонального распределения печз по теплофкзичеекш свойства.!,ко разработаны карты тепяофизкчсских коэффициентов,отражающие действй-телькоо состояние почв.Отсутствует качественная оценка печэ но их теплофизкческиы характеристикам.

Остаются неизученными возисккостн рекультизации засоленных почв I*. улучшение «к термических коэффициентов путем химической мелиорации и другими агротехническими приеиани.

3 целом,познание теплофиэических свойств почв во взаимосвязи с их генетическими особенностями,характером и степенью естественного или искусственного увлажнения почвенного профиля необхо-димо,как в целях генетической характеристики,так и для расчета, оценки а прогноза тепломелиоративных эффектов различных агроме-приятий и обоснования наиболее рациональных мелиоративных технологий,направленных на оптимизацию гидротермического режима почв, охрану и повышение почвенного плодородия.

Нуждается в развитии и приборная база лабораторных и полевых теплофизических исследований.

Цель работы. Комплексное изучение теплофизически.; характеристик почв Юго-Западной Сибири,сформированных на лессах,оценка их теплофизического состояния и прогноз его изменений под влиянием антропогенного фактора.

Задачи исследований.

I.Расширение приборной базы на основе разработки и создания устройств и приборов для определения теплофизических показателей как в лабораторных,так и в полевых исследованиях.

2.Экспериментальное изучение теплофизических характеристик черноземных,каштановых и засоленных почв Юго-Западной Сибири в зависимости от основных почвенно-физических факторов их генетических горизонтов,

3.Разработка математических моделей и номограш для определения главных теплофизических коэффициентов: теплоемкости,тепло-и температуропроводности.

4.0цонка ыассопереноса во влажных почвах под воздействием температурных градиентов.Разработка путей определения составляющих комбинированного механизма теплопередачи.

б.Разрао'отка карт зонального распределения почв Юго-Западной Сибири по теплофиэическим показателям и качественная оценка их по /геплофизическому оостоинию.

6.Прогноз изменений термических параметров черноземных и каштановых почв под влиянием длительного орошения.Обоснование приемов и методов управления теплофизическим состоянием почв в условиях ^го-Западной Скбиш.

Объект и методика исследований. Объектом исследования явились черноземы Приобского плато,Бие-Чумышской возвышенности,предгорий и иизхогорий Алтая; каштановые почвы Центрально-Кулундинской депрессии^ также почвы солонцовых комплексов степной и сухостепной зон £<го-Заяадной Сибири.

Химические анализы почв.изучение их физических и родно-физи-чесмих свойств,полевые опыты проводились с использованием принятых в почвоведении и агрохимии методик.Результаты исследований подвергались статистической обработке,

При этом были использованы данные Д,М.Татаринцева,характери- . зующие фиэико-механичэские и водно-физические показатели черноземов предгорий и низкогорий Алтая,темно-серых лескых почв Вие-

ЧумншскоЯ возвышенности и каштановых почв Кулу иды.

Эти же показатели комплекса солонцов и солонцеватых почв лесостепи и сухой степи были предоставлены ИЛ.Трофимовым.

Тегогофизические коэффициенты в лабораторных'условиях определялись импульсным методом плоского источника тепла,а в полевых -прибором,в основу которого положен цилиндрический зонд постоянной мощности.Температура почвы измерялась электронным термометром, датчиками которого являлись полупроводниковые бескорпусные диоды.Тепловые потоки рассчитывались согласно принятой в почвенной теплофизике методике.

Работа выполнялась в соответствии с планом Барнаульского ордена Трудового Красного Знамени государственного педагогического института.

Теоретический вклад и научная новизна. Впервые получены экспериментальные данные о теплофизических характеристиках черноземов Приобского плато ,Бие-Чумышской возвышенности и предгорий Алтая ¡каштановых почв Центрально-Нулундинской депрессии;солонцовгсс комплексов степной и сухостепной зон Ьго-ЗападноЯ Сибири.

Выявлено,что в формировании теплофизического состояния почв региона активное участие принимают особенности лктогенега,физико-механических и водно-физических свойств их генетических горизонтов.

С учетом консерватизма гранулометрического состава почвенных профилей были составлены карты зонального распределения почз Юго-Западной Сибири по их теплофизическим Характеристикам.

Впервые проведена качественная оценка почв,сформированных на лессовых отделениях в соответствии с их теплофизическим состоянием.

Выявлена приуроченность максимальна* значений температуропроводности и критических значений теплопроводности почвенных горизонтов к определенным,зависящий от механического состава,константам влаго- и воздухосодеркания в почве,На этой основе сделана попытка развития структурно-энергетической концепции теплофизического состояния почвы: получены количественные соотношения между основными почвенно-физическиш факторами (влажностью,дисперсностью и объемным весом) и теплофизичеекими показателями.

Рассмотрена сущность механизма теплопередачи в почвенном про-филе.Показало,что определяющая роль в процессе тепломассообмена в почве принадлежит парообразной злате (Перемещающейся под дейст-

вием градиентов температуры.В связи с отим нами разработан способ непосредственного определения кондуктивнъзс и пародаффузконных составляющих комбинировшшого механизма теплоперыоса.

Создам ряд математических моделей,основанных на функциональных зависимостях коэффициентов теплопередачи от степени дисперсности почвы,плотности слокения,содержания органического вещества в почве,ее влажности и температуры.Предядасен способ определения удельной теплоемкости почв по их объемному весу и полной златое^ мкости.

Произведена оценка изменений теплофизического состояши черноземов и каштановых почв под влиянием длительного орошения.Предложена методика расчета оросительных норм,обеспечивающих оптимальный термический режим почв в условиях Юго-Западаой Сибири.

Разработан« приемы улучшения теплофиэических свойств и гид-ротзрмических режимов почв солонцового комплекса,решен ряд задач по целенаправленному регулированию теплофизическим состоянием засоленннх почв с целью повышения их плодородия.

Защищаемые пояснения.

I.Природа й характер функциональных зависимостей! теплофизп-чесних коэффициентов и почвенно-физических факторов кроется в особешюстях физических условий.складиваюодохся в генетических горизонтах почвы,и,в первую очередь,качественного состава и свойств их основных промежуточных фаз: твердой,жидкой и воздушной,а вместе с тем, и в изменении механизма теплоаккунуляции и теплопередачи в почвенной профиле.

2.Особенности литогенеза,физико-механических свойств и ороют-матических условий предопределили зональное распределение почв в регионе по их теплофизическим показателям.Качественное состояние внутри отмеченных зон не одинаково и определяется прежде всего скоростью теплообмена в почвенных профилях.

3.Импульсный метод плоского источника тепла позволяет непосредственно измерить составляющие комбинированного механизма тепломассообмена. Экспериментальное определение теплофиэических коэффициентов почв позволяв? разработать ряд математических моделей и'номограмм,которые дают возможность, оперативно проводить их термический мониторинг.

4.3нание функциональных зависимостей тепловых показателей генетических горизонтов и почвенно-физических факторов позволяет

прогнозировать изменения теплофизического состояния под влиянием антропогенного воздействия; разработать приемы и метода оптимизации и управления гидротершческим режимом почвы,направленным на повышение ее плодородия.

Практическая ценность работы и внедрение. На основе экспериментального исследования теплофиэмческих характеристик почв ¡иго-Западной Сибири разработаны карты зонального распределения почв, сформированных на дессах, по их теплофкзическому состоякио-Впервые проведена качественная оценка (бонитировка) почз согласно их оптимальной температуропроводности.

Созданы математические модели,которые учитывают одновременное воздействие на теплофизические показатели целого ряда псчвен-но-физических факторов и позволяет оперативно проводить анализ гидротермического рекима почвы.

Разработанные способы определения удельной теплоемкости, составляющих комбинированного механизма тепломассообмена рекомендованы к практическому использований.Предкакш метод расчета оросительных норм,основанный на анализе теплофкзичсского состояния почв.

Изготовлены устройства и приборы дяя экспериментального изучения теплсфюических коэффициентов к температуры почвы в лабораторных и полевых условиях,два из шпс признаны изобретениями и защищены авторскими свидетельства;.®.

Более десяти приборов,устройств,способов внедрены в сельскохозяйственное производство и в ряде учреждений.

Признаны изобретениями способы определения паропроницаемсстк и удельной теплоемкости печв.

матергллы диссертац:ш используются в курсах лекций,читаемых для студентов агрономического факультета Алтайского аграрного университета^ ¡курсовых и дипломных работах.

Апробация. Содержание диссертации докладывалось на пяти съездах, совещаниях и конференциях Всесоюзного уровня,на трех межвузовских и региональных конференциях,на четырех краевых,а так о па ежегодных научно^-практических конференциях АСХй,БПГЛ,на ученых советах Ш1А АН Узбекистана,КПЛ СО АН СССР к др.: Краевая конференция молодах ученых Лдт&т, 1978;Всесоюзная научно-производственная конференция молодах ученых и специалистов сельского хозяй-с'гва,Тшень,197В;Меквузовская конференция "Физика твердого тела", Барнаул, К82,1990;Всессетзное совещание "Мерзлотко-гидротермячес-

кий режим промерзающих почв,его регулирование,рациональное использование и охрана",Пун^шо, 1982; Пятая региональная конференция молодых ученых и специалистов Сибири и Дальнего Гостока .Новосибирск, 1"963;Краевая конференция "Экологические проблемы интенсификации земледелия в Алтайском крас".Барнаул,1583;Краевая конференция "Лочьенно-агрохимические проблемы земледелия в Алтайском крае",Барнаул,1564;Всесоюзное координационное совещание' семинар "Климат почв",Пуцино,1564;Краевая конференция "Лочвенно-агрохишнескио проблемы земледелия в Алтайском крае",Барнаул, К8 5 {Всесоюзная научно-методическая конференция "Современные методы исследования в агрономии",Барнаул,1990; Первый съезд почвоведов Узбекистана,Ташкент,1990;Третья научная конференция по применению математических методов и ЭВМ в почвоведении,агрохимии и земледелии,Барнаул,1932 и др.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в I монографии,в 41 печатной работе,получены 4 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация излокена на 347 страницах,не которых 203 приходятся на доли машинописного текста,содержит 58 таблиц и 62 рисунка.Список использованной литературы включает 406 названий,из них 65 на иностранных языках.Диссертация состоит из введения,пяти глав.выводов и рекомендация.

СОДЕИШМЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. ШС1ШШЕНТАЛЫШЕ ШОД1 КССЛЕД0ШК1Я ТЕПЛОШИЧЕСКОГО СССТСШШ ГЮЧВ

Непрерывность прогэссов почвообразования обеспечивается прежде всего атмосферным климатом.Поступающая в биокосную систему лучистая энергия солнца засчет фотосинтеза частично трансформируется в химическую,но в большей степени обращается во внутреннюю, поддеркивая жизненно важные дли почвообразовекпя явления топ-лообмена и хумусокакопленкя в почвенном проф,иле.

Определенные сочетания условий увлажнения и температуры в атмосфере, а татае гидротермического и воздушного режимов в почве обусловливают тип растительности,темпы гумификации,скорость и характер ироцэссов выветривания минеральной основы почвы и миграции продуктов почвообразования.

Формирование гидротэрмкческого режима в почвенном профиле определяется его тегшофизическими характеристиками: удельной (е)

и объемной (с^ ) теплоепсостями,теплопроводностью ( Л ) к текпе-ратуропроводаостьк ( а ).

Изучению теплофизмческих характеристик почв и методам га определения посвящены работы как отечественных,так и зарубежных исследователей (Чудновский,1947-19У6;Дпью,1948-19?б;Герай-Зеде, 1970-1988;!,¡акарычев,1977-Г991; с/г \Ып ,1950-1959 л др.).

Наиболее перспективными являются экспериментальные метода исследования теплофизических коэффициентов почвы (Исвелы:ои,1960; Димитрсьич,1963).среди которых оперативностью,простотой и возможностью определения всего комплекса термических показателей выделяются импульсные методы (ЧудоовскиЯ, 1£46~ 19'?о ¡Кулаков, 1552;Бутов, К6Х;Луиин,1972 я др.).

Ка основе импульсного метода плоского источника тепла нами была создана автоматизированная лабораторная установка,которая позволила измерить теплофизические характеристики почв Юго-Западной Сибири.

Для полевых исследований тепловых свойств и температуры почв были разработаны пркбор,ьключаггскЯ в себя цилиндрический зонд; и элеитроторномотр,позволяющий проводить измерения как в пахотном слое,так и на глубине до трех метров.

глава и. ттюдашжд бншипочвеиюго

ТШОСБмЕНЛ

Особенности тепломассообмена в различных почвенных типах определяют разработку и применение агромелиоротивных приемов, направленных на улучшение гидротёрмического режима генетических горизонтов почшЛри этом,как отмечается в ряде работ (Гыков,' 1954-1968;Еабьев,195б;Вас!иьева, 1966 и др.),во влажных образцах передача тепла осуществляется не только кондуктивной теплопроводностью,но и влагой,перемещайтейся под влиянием градиентоь температуры.

Следовательно,величина эквивалентного коэффициента теплопроводности будет определяться потоком влаги к может бить различной для одного и того не образца в зависимости от конкретных условий массосбмена.Поэтому на основе эквивалентного коэффициента теплопроводности мскно только приблизительно рассчитать температурное поле и описать процесс теплопередачи в реальном почвенном профи-ле.Дяя точных определений необходимо знание коэффициентов молекулярной (истинной) теплопроводности и коэффициентов масс опере-

носа.

Н.Н.Бабьев (IS56),А.П.11орхаев (1956).В.Н.Шевельков (i960), рьсвивая теорию теплообмена A.B. Ликова (1954).предложили свои метода нахождения истинных коэффициентов тепло- и температуропроводности ,которые в то же время требуют знания коэффициентов переноса влаги: потенциалопрсводаости,удельной ьлагоенкости,термограда енть ого потенциала,что связало с больше,ш затруднениями.

Оценивая потоки тепла,создаваемые перемещающейся жидкой и парообразной влагой,а такае кондуктиэной теплопроводностью,А.И. Лунин {1972) пришел к заключению,что рель потока тепла,вызванного движением жидкости за время проведения эксперимента ничтшша (около I?S) и шлянием данного фактора панно пренебречь.В то же время кондуктивная и пародиффузионная составляющие в процессе теплопереиоса сказались соизмеримы.!^ же была получена зависшо-сть для определения истинного коэффициента температуропроводности, а нами предложена номограмма для его кахекденкя.

Нами тпкко разработан способ определения паропроницаемосги и пародиффузиокных составляющих комбинированного механизма тепло п ере дач и, з ал ;нце1 п ш й авторским свидетельством (Макарычев,Янов, 1950).

С'уцест-вушщая модель комбинированного механизма теплопередачи явилась результатом развития представлений о процессе термо-влагообмена в почвенном профиле ( Smith , 1943; d¿ Vueg Philip , dl Vzüí, 1957,IS 59;Глобус, 1983,1987 и др.).Совершенствование данной модели заставило дая.согласования теории и эксперимента ввести так называеше коэффициенты усиления,расчет которых достаточно' сложен.В то же время допущения,идеализирующие процесс теплообмена во влалих средах,до сих пор имеют место.

Мет единого мнения и о величинах составляющих комбинированного механизма термовлагопереноса.Так, #Д, V*i;ts 1956) считают транзитный термокапиллярный поток жидкой влаги значительны«.Близкую к этой точку зрения млеют А.М.Глобус (Р987).Б.В.Де-рягин и др.( 1987) .называя данный перенос териокапиллярно-пленоч-

Ряд авторов {Qu%t и др.,1952; Сму ,1965; Wstcct , V/ítteuzjCi- ,1974) утверадапт,что термопароперенос преобладает над жидкостный переносом тепла.

К аналогичным выводам пришел А.И.Лунин (1972).который,решая систему дифференциальных уравнений тепломассообмена,убедительно показал,что при использовании импульсного метода плоского источ-

ккка тепла для. определения коэффициентов теплопереноса мощности лоточников тепла засчет ксндуктиБной,пародиф1узнсшой и жидкостной составляющих относятся как 100:105:1.

В результате иолвидась еоэмскнооть с nosюцъп импульсного метода определить составляйте комбинированного мохщгизма теп-лопоренсса.а шсию кондукторную и парод;5ффузу.ок;1уь,пренебрегая а этом случае етдиосткой.Способ измерен;п ксоффицчентов тепло- ч тс1.а1ературопроводг1остл,обус.1овлешпос паропереносс.:, разработанный пжк, метет бить легко нспользогон в теллофизических исследованиях.

Нахсясдзияе н&рода$3уз»оикой составляющей и коэффициента па-ропронзгцасмостк при' этоа сводится к определен® температур поверхности нагревателя и исследуемой точки среды п но требует расчета коэффициентов усиления,что вакно для практических целей теплофизики.

Данный способ был апробирован при экспериментально« избенки коэффициентов теплопередачи 2 черноземах Приобского плато и,для сравнсяил,в отэттом юзсрцевсу песке.

Оказалось,что температуропроводность обусловленная пар&паре-иссо;.; ( О* ) пгя исследованных образцов характеризуется экстремальными зкачен4Лми,приурочен1гыык а гласности,близкой к БРК,а в кварцевом песке - к области капиллярной влагсемкости,Именно при такой степени узязкненюг складывается наилучшие условия для термспаропереноса,когда концентрация кальку*1 пара достаточно высока. и есть возможность их свободного перемещения а перовом пространстве.В то ¡se время наличие водных мажет (пленок) не является препятствием для теплопередачи,т.к. испаряясь на "теплой" стороне катет,молекулы пара,двигаясь в роэдузшой поре,конденсируются на "холодной" границе очередной водной пленки »ускоряя процесс переноса тепла засчет фазовых превращений.

На рис Л. представлена зависимость &квиваяентной (суммарной) к пародафчузиоаной температуропроводности,а таюке коэффициента термоларопроводаости ( ^ ) чернозема и кварцевого песка в зависимости от влажности.Кривые термопаропроводности имеют экстре-uy¡.'U , что подтверждает существование оптимальных для термопереноса условий,складывающихся при определенных,зависящих от степени дисперсности ,гидрологических константах.

Следуем отметить,что в гуцусированных горизонтах пародп^фу-зионная составляющая играет меньшую роль,чем в ниаележицгас мине-

Л*х103Ьт/м К III

QxI06m2/c I

1.2

0,8

0,4

0,0

a*io6M2/c ii

^ Кв.п.

1 у - ^ АЬ

1

О 10 20 Влажность $

Г Кв.п.

/ / / "Хв АЪ

О 10 .20 Влажность,%

2,4

1,6

0,8

0,0

Кв.г.. \

^ В

/ 1 ----*

О 10 20

Влажность,%

?ис.1. Эквивалентная температуропроводность ( Оь) - I,температуропроводность,обусловленная паропереносок СО*) -Пи термопаропрозедность (Л*) - Ш генетических.горизонтов выщелоченного чернозема и кварцевого песка в' зависимости от влажности '

ралышх,и тем более в кварцевом песке,по сравнению с кондуктив-нон составляющей. Это еще раз говорит о высокой: годекягости молекул пара в системах,гдэ анергия связи жидкой и твердой фаз невелика.Так,в гор.В выщелоченного чернозема при В?К пародиф7узионная температуропроводность в два раза превосходит кондуктивпую. В кварцевом песке,где степень дисперсности мсньае,это превышение ¡■даст достигать четырех и более раз.

3 тс ;ко время коэффициент тврмопаропроводнести сказывается в десятки раз нике кснд/ктиеного,который при увлажнении от 0 до НЗ изменяется в различите горизонтах чернозема от 0,3 до 1,4 Вт/(м К).Следовательно,молекулы пара,резко ускоряя процессы теплопередачи г почвенном профиле,особенно в ыикеральных горизонтах, переносят незначительное количество тепла,слабо способствуя теп-лоаккумуляции и почве.

ШЕЛ Ш. ПОЧВааО-'ШИЧЕСКЙЕ ФАКТОМ и СТРУ^Л'УРНО-ФУКйУХН/аЬН.АЯ КОНЦЕПЦИЯ ТЕПЛО-ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ почв

Теплофкзпческие показатели почвы слашы.! обрззои зелзисят от целого ряда псчвенао-флт.гчссуда: факторов: температуры,плотности слсскошш почвенного профиля,степени увлсяненпл геиетичестаос горизонтов,дисперсности,содержат«! в и:^: орган:гческого вещества.

Ясследован;® з?>1Х зависимостей посвяцено бол^коо количество работ (Чудновск»1й,1945-К7с;Ч1тчуа,19б5;Е1;иробокова,К,65;Герай-задс,1970- 19&3;Серона,1971 я др.).Тем не менее целостная картина, уЕязывзйцая теплофгакческие характеристики почвы и почвепно-фпзкческке показатели,требует ряда дополнений.

. Каши исследования показаяи ,что слабое воздействие температу-' ри ¡¡а объемную теплоемкость,тепле- и температуропроводность почвы в абсолютно сухо« состоянии резко усеивается при ее уклаг.не-иии.Прд этом относительные изменении тепяофгаичееккх хооффициеи-тов могут достигать 00 к более процентов.

Сильнее на тепловые свойства влияет степень почвенного уз-лакпекия.Рост влагоеодеркаяия влечет за собой линейное увелше-Ш19 объемной теплоемкости в 2-3 раза в зависимости от плотности скскеккя генетических горизонтов почвы.Такке сильно меняется эквивалентная теплопроводность,которая на высокой стадии почвенного увлажнения становится практически постоянной. Эквивалентная температуропроводность при увлажнении характеризуется экстрема-

лытм значением,приуроченным к той или иной гидроконстанте. "

Б то же время исткпше значения коэффициентов теплопередачи остается всегда ниже эквивалентных.

Уплотнение почвенных горизонтов обусловливает достаточно резкое возрастание объемной теплоемкости и теплопроводности почвы, тогда как температуропроводность при отоы падает.

Гранулометрический состав и гумусированность генетических горизонтов почвы также неоднозначно сказываются на характере и величине изменений теплофизических коэффициентов.Рост дисперсности уменьшает коэффициенты теплопередачи и практически не влияет на объемную теплоемкость.

Повышенное содержание органического вещества снижает тепло-и температуропроводность,но в го ие время создает благоприятные условия дня теплоакку!.г/ляцш1.

Исследовашше нами пряные зависимости тегоюфзгчгаеских характеристик от физико-механических,водно-'|иаических и ряда других факторов позволяют на основе ммсжествонной корреляции разработать ряд математических моделей,позволяющих оперативно проводить текущий анализ термического состояния почвенного профиля.

Еили найдены соотношения- доя почи с однородным гранулометрическим составом,который является наиболее консервативным почвенным показателем. Они позволил!! учость три наиболее динамичных параметра: влеки ость ( Ц ), объемный вес ( ) и температуру ( Т ).

Так,дня суглинистых черноземов Приобского плато,составляющих основной земельный фонд Юго-Восточной части Западной Сибири,коэффициенты телло-и температуропроводности могут быть определены из следующих уравнен*. .1:

а - в(1 + У - 1000)3/2Ю~6 + А + 0,С4И2/3+ В(Г- 20)Ю"3

8,5

а <= 0,С9 ^ + В - 0,93( и15)2Ю~3 + 3,5( Т - 20)10~3 ( !)

У10

Б то не врэмЕ такие показатели,как температура и влажность сильно варьируют в течение вегетационного периода далее на почвах, исклвчетшх из сельскохозяйственного производства,поэтому изна-чальноо состолние почвы,как физического тела,более правильно оценивать на основе стабильных почвенных факторов,таких как степень дисперсности ) и. содержание органического вещества (Л/ )• Сюда ле мы относим и плотность слскения генетических горизонтов, довольно постоянную,особенно на целине или под многолетними тра-

£ £

ж 8

О 40 80

Содержание глинистых частиц (<¿0,01 мм)

Рис.2* Зависимость влажности (соответствующей максимуму температуропроводности почвы,от содержания в ней глинистых частиц

V

V

СП 1 1 1 ЛСГ| ссг 1 | тег ЛГ ¡с) ГГтГ=

2,0

1,5 г

5

1,0 I

Щ

я ф

п

я

0,5 5

о

•8

и о

0,0

0 40 80

Содержание глинистых частиц (•¿0,01 гму,%

Рис.3. Скорость изменения влажности,соотоотстцуяцой иаксиг/к/ температуропроводности (-^р1) 0 зависимости от содеркания а почве глинистых частиц.СП - супось,ЛСГ - легкий суглинок ?! т.д.

в шли,

С учетом г,того нами били разработаны многофункциональные математические модели да1 расчета коэффициентов теплопроводности и температуропроводности почв в абсолютно сухо» состоянии:

А . С t 0,29(1 - 0,01 7> )3 * ISSLrjL - 5хЮ"3 V ,

2200

а - Б + 0,ЗС(1 - 0,01 Л )3 + I§50_-J__ _ 0 012 у (2)

2200 '

Концепция етруктурно-фупкционалшых гидрофизических и механических своПств наиболее полно разработана А.Д.Воронит (1984). Позднее была едэльна попытка создания. структурно-энергетической кл*целции теалофнзическюс свойств почвы (Чичулил,1989).

Oía базируется на установленной зависимости экстремального значения температуропроводности CfIK(U) и критического значения теплопроводности (Ц) »соответствующих точке резкого перегиба кривой, отобра-камцей поведений функций C!=fíttJ и от

степени уплотнения почв разного гранулометрического состава.

Наиболее наглядно взаимосвязь структуры (механических элементе в) и •f-еплофизичсских показателей отражена на рис.2,причем данная зависимость (логарифмнка) списывается уравнением (3);

Ыап~ - 8,9 +,7,2 ЬъЪ . ' (3)

Наибольшая скорость изменения влажности,соответствующей максимуму температуропроводности, отмечается в супесчаных почвах; несколько меиьшо она в суглинистых,а в глинистых сильно ешкает-ся и стремится к некоторому проде;гу,близкому к 24% почвенного увлажнения.

На рпс.З представлена зависимость скорости изменения влажности,при которой отмечается экстремальное значение температуропроводности, от степени дисперсности почвы.Из анализа рис.З следует,что воздействие влаги на коэффициент теплопередачи наиболее активно проявляется в супесчаных,слабее в суглинистых и очень слабо в глинистых почвах.Поскольку энергия связи влаги с твердой фазой почвы выяе в более дисперсных почвах,то динамичность коэффициентов тепло-и температуропроводности снижается при переходе от супесчаного к глинистому гранулометрическому составу.

Таким образом»полученные данные теснее уаээывают•количественные! соотношения между основными почвенно-физическими факто-

рэми ^ ) н те.члофнзическшн показателями ( С1т, _А к )

почли.

Массовые исследования почв различного механического состаьа позволили такие разработать акспрзсс-метод для определения удельной теплоемкости почв.Пр?! ртом удельная теплоемкость определяется из формулы (4) или по сосгавлешюй нами номограмме:

Со я Ск Цпн ( тГ - 0г7б У «) (4)

0,76 / ж

Здёсь Кпз - полная гяагоеикость почвы; плотность почеы в абсолютно сухом состоянии; Се = 4150 Д*/кг 1С); •-- 1000 кг/м3,

ГЛАВА 1У. ТЕШ10ЙШЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

ПОЧВ ЮГО-ЗЛПАДЮК СИБЙ1И

Исследованные почвы сформировались на территории ЗападноСибирской равнины,поверхность которой отличается довольно елейным сгроенисм.Здесь хорошо выражены плато,возвышешюстк и относительно плоские низменности.В юго-восточной части Западно-Сибирской равнины выделяются Приобское и Еиэ-Чушяскоо плато,Пред-алтайская предгорная равнина и Центрально-Кулундннская депрессия.

Известно,что формирование современных почвешпо; типов на зтой равнине связано с субасрйльно-лессозшл отделениями,обусловленными золозим переносом пыли,делювиальным литогенезом и процессам« выветривания и почвообразования в оасукливс-л климате (Хмелев, 1985).

Верхняя часть лессовых отлепсений явилась основой дан образования на междуречьях различных вариантов черноземов,которые нанимают преобладающую часть территории Юго-Западной Сибгрк.Более засушливый клгмгт КулукдинскоЯ низменности обусловил здесь каштановый тип почвообразования.

За основные фациально-провкнциалышо подтипы черноземов, сформированных на лессах признаются ^ Хмелев, В59) выщелоченные и оподзоленные,южные и обыкновенные,которые максимально соответствуй? общерегиональным ороигикаигческгш усдегкям. Это подтверк-дается и соотношением площадей,которые занимают подтипы черноземов. Так, среди черноземов Западной Сибири на дол» выщелоченных и сподзоленных приходится 57,1$=, обыкновенных - 29,7Й и южных - 8,2 процента общей площади.Схема распространения подтипов черноземных и каштановых почв представлена на рис.4.

Формирование теплофизических профилей черноземов и кзштано-

I 2 3 4 5 6 ? 8 5 10 XI

р1:с,-1' .Схема распространения подтипов лессовых черноземов (лме;.гя,1285) и ка'шшовых псчв (Лочвд Алтайского края, 1950; Панфилов,1973).

Черноземы; I - кшше; 2 - обыкновенные; 3 - теме,повышенной мощности; 4 - типичные; 5 - выщелоченные маломощные; б - то ко средней мощности; 7 - выщелоченные н оподаоленные с пятнами типичных повышенной мощности; 8 - оподоолешше о пятнами выщелоченных; 9 -то яе,повышенной мощности; 10'- солонцеватые и осолоделые; IX -неполнопрофшшныа сильно щебнистые.

Каштановые почвы: 12 - темно-каштановые; 13 - каштановые.-

вых почв происходило под воздействием таких определяющих факторов почвообразования как рельеф,растительность,ороклиматических и литологлческих признаков региона.Неадекватное влияние оказали физнко-цехелпческпе особенности почвообразущих пород.

Согласно получении.: данным коэффициенты объемной теплоеикос-ти абсолютно сухой почва для малогумусных легко и среднесугли-нистш: черноземов Приобского плато возрастают при переходе от пахотного слоя к почвообрззуюшей породе (рис.Б).

Увеличение объемного веса и уменьшение псрсзности почви с глубиной,т. е. изменение условий молекулярного переноса тепловой энергии (Послужили главной причиной заметного сше'.ш^я ксолфш.цента температуропроводности как в черноземных,так и в каштановых почвах,

Коэффициент теплопроводности вино по профилю имеет тендсн-пни к росту,но в ряде разрезов его суцеетвешшс изменений не со-наругшто.

Закономерности распределения теплофнзическгх характеристик ß профилях глинистых черноземов предгорий и ннзкогорий Алтая в ссиов/и:л сохраняются.Ио по срашенио с черноземами Приобского плато горные черноэеш характеризуются попккешшми значиптга тепло- и тешературопроводчости н повшенпыми - удельной теплов-нхсстя,которая достигает IТОО-1200 Дя/(кг К),особенно в верхних гущ'сар&зшш горизонта;:,в то греш как в белее леилас равнин-'hiu черноземах она составляет 9C0-IC00 &/(кг А) ,что сбуслоахспо прежде всиго пошяеннш содержанием в горных черюзеиах органического вецества и илистых фракций.

О характере изменения тепловых сьойств генетических горизел-тсв черноземов в зависимости от влажности мокно судить г,о данным, представленным на рис.5.Они показывают,что при влажности.соответствующе?! той или иной'гидрологической константе,качественный характер изменения теплсфизических характеристик по проф'.га черноземов остается практически одинаковым,хотя степень их изменения при этом разная.

Следует подчеркнуть.чго загухашдей аффект тепло-и температуропроводности при увлажнении черноземных и каштановых печв в зависимости от степени дисперсности проявляется при определенной стадии почвенного увлажнения.Так,в менее дисперсных,суглинистых почвешшх профилях черноземов Приобского плато и каштановых пот» ¡¡улунды этот предел лежит в интервале увлажнения,равней или близком к Ш{.В более дисперсных глинистых черноземах предгорий к

ы

га я

<а I

о

4,0

! о, О

0j

о а

5

ж г си

§1

,0

/ V/

/ж у

у

3,0

sti

-s

>2,0 а

>0 н о о а Ч 8 1,0

8. с о с с ш

^ 0,0

25

Влажность,S

50

Влажность,^ III

У

50

0,70

to о

о о

я:

S

я

а

а >>

£Й п.

ш Ц

а! Е-

0,30

0,25

0,00

ф \в

0,0

0,5

г яГ

\о 2»

<5 1,0

1,5

0 25 50

Влажность, #

1У

0 0,00 0,0

I

0,25 0,5

0,50 1,0***

Рис.5. Объегмая теплоемкость (I) ,тсипературопровсдчость (II) и теплопроводность (III) генетических горизонтов выщелоченного чернозема (Ребрихинский р-н) в зависимости от влажности.*-теплоемкость/** - теппо-и температуропроводность ГУ - распределение КХ в профайле чернозема (абс.сухое состояние). Р.2»

0

ыизкогорий Алтая ыаксилуи температуропроводности приближен и Ю. Отметил,что в супесчаных почвах он наблюдается при 11В,а и песчаник близок к ЗШ (капиллярной влагоемкссти). Такал приурочешгость термических показателей н определенным гндрсконстачтам во многой определяется характером и степенью обводненности почвешшх пор.

Проведенные нами исследования тепяофнзнческпх характеристик Черноземов Юго-Западной Сибири позволяют классифицировать их в определенней последовательности,т.е. оценить их теплофизическое состояние (бонитет).

Средние для деятельного слоя черноземов теплофизачесше параметры приведены: п табл. I.

Знание Д.'!? (диапазона активной температуропроводности)(Чичу-лин,1983) позволило предлашть следующую шкалу отзывчивости температуропроводности на водную мелиорацию: • •

Согласно табл.1 и шкала отзывчивости суглинистые черноземы Приобского плато относятся к I классу.ОбнкноЕогагыо чернозем! входят во второй,тогда как глгашетые черноземы предгорий и темно-серые лесные почвы Еке-Чуиясской возЕышениссти образуют III класс отзывчивости.

Показательной,по. нашему мненкв,является такие оптимальная •теиператуг'ироБодпссть (0Т)( табл.1) температуропроводность черноземов,соответствующая степени почвенного увлажнения 0,?-0,Vö наименьшей влагоеыкости (IIB).

IIa основе ОТ мсксно провести своеобразную бонитировку почв Цго-З&поднсй Сибири.Оказывается,что наилучшим образом отвечают на возможную гидромелиорации и обеспечивают высокую степень теплообмена в почвенном профило суглинистые черноземы Приобского плато и,лрекде всего, виц влеченные. Несколько шив. по саокы качествам с точки зрения теплопередачи южные в обыкновенные черноземы равнин,Глинистые же горные черноземы Алтая слабо откликаются па водную мелиорацию.

Аналогично были оценены каштановые почвы Кулунды.Оказалось, что оптимальными термическими свойства!«! обладает темно-каятано-вал среднесуглинистая почьа.

На территории Юго-Западной Сибири в лесостепной,степной ц

Класс I

II

III

Отзывчивость

Активная Посредственная Пассивная

дат

0,20-0,15 0,15-0,10 0,10-0,05

Таблица I

Чочвенно-тешгофпзические константы,диапазон активной температуропроводности (ДАТ) »оптимальная (ОТ) и максимальная температуропроводность (¡лТ) черноземных и каштановых почв Lro-Западной Сибири А вз РЗ а вэ Л нв НЕ а на ДАТ ОТ МТ

Чернозем выщелоченный легкосуглшшстый,Р.6п 0,760 1,700 0,447 1,333 2,720 0,490 0,173 0,555 0,620

Чсрнозеы выщелоченный легкосуглшшстый,Р.8п 0,745 1,663 0,443 1,277 2,459 0,511 0,169 0,565 0,610

' Чернозем выщелоченный легко-среднесуглшисткй,Р.1 0,668 1,391 0,495 1,293' 2,12В 0,606 0,169 0,606 0,664

Чертозем выщелоченный средвесуглиш1стый,р.2п 0,702 1,691 0,413 1,196 2,564 0,496 0,183 0,546 0,596

Чернозем выщелоченный среднесуглигшстый,Р.2 0,771 1,710 0,451 1,568 2,546 0,623 0,172 0,602 0,643

Чернозем обыкновенный средаесуглинистый,Р.З 0,754 1,816 0,415 1,256 2,461 0,525 0,110 0,510 0,513

Чернозем кюшй тякелосугли1шстый,РЛ0 0,747 1,400 0,454 1,246 2,296 0,543 0,130 0,533 0,564

Чернозем выщелоченный горный среднеглшшетай, Р. 4 0,753 2,282 0,330 1,281 3,276 0,391 0,С92 0,406 0,421

Чернозем обыкновенный горный легкогдиийстай,Р.6 0,758 2,060 0,364 1,190 2,920 0,408 0,055 0,414 0,419

Чернозем обыкновенный горный легксглкш!ОТЫй,Р.7 . 0,733 1,800 0,367 0,965 2,466 0,391 0,047 0,403 0,414

^тово-чернозешоя горная легкоглинкстая,Р.8 0,845 2,414 0,300 1,031 3,213 0,340 0,059 0,349 0,369

Темно-серая лзенач средоесуглкниста1,Р.13/58 0,53Э 1,092 0,319 0,902 2,520 0,353 0,060 0,363 0,392 Гемно-кааггаиовая легкосуглинкстая,Р.Зг ' 0,976 1,650 0,468 1,538 2,550 0,603 0,2С6 q,642 0,680 Теино-каптаковая среднеруглжистая,Р.7к 0,685 Г,368 0,491 1,515 2,ЗГ4 0,625 0,152 0,645 0,663

Лугово-каштановая легкссугликистая,Р.12к 0,641 1,542 0,460 1,471 2¿566 0,573 0,132 0,582 - 0,992

•.Цугово-каЕтансвая средаесуглкнистая,Р.11к 0,714 1,557 0,459 1,226 2,415 0,508 О, ICS 0,535 0,562

сухссгепной зона;: зигооко. распространены засоленные почвы,представленные солончаками,солонцами и солодями.Оии обладают особыми свойствами,резко отлшающими их от основных почвенных типов той или иной пйчвшшо-клк.'атической зоны.

Как правило,гранулометрический состав засоленных почв тяжелый,характеризующийся повышенным содержанием ила,особенно в солонцовых горизонтах.Это вызывает рост теплоемкости на фоне снижения температуропроводности.

При увлажнении характер н&ыенения теплофизических кодффнцие-нтов генетических горизонтов комплекса засоленных почв аналогичен горизонтам черноземных и каштановых почв,В то же время коэффициенты теплопередачи менее динамичны,а максимум температуропроводности смещен в сторону больших влыкн остей.

Изученные лугово-черноземный средиесуглинистые солонцы сульфатного и хлорндно-содового типов засоления (РД5с,16с) имеют разный состав обменных катионов.'Гак,у хлоридно-содового солонца, содержащего в ПШ больше обменного натрия, поБышемшй фактор дисперсности солонцового и подеолонцового (37,2 и 47,горизонтов по срагчению с сульфатным солопцсы (20,6 и 17,7?») .По содерганию ила профиль хлоридно-содового солонца резко диффенцировал (5= 2,7) в отличны от сильно дифференцированного профиля сульфатного солонца (Й « 1,8).

С глубиной объемная и удельная теплоемкости п солонцах становятся больше,оставаясь в профиле хлоридно-еодопого солонца выше ,чемв сульфатном.

Характерной чертой хлоридно-содового солонца являются меньшие значения тепло- и темлераяуропрозодаости при естественной степени почвенного увлажнения,что обусловило его высокую теплоизоляционную способность.

Наиболее отличительной особенностью солонцов является динамика гаменения тешературопроводности и теплопроводности при увлажнении. Коэффициенты теплопередачи достигают экстремальных значений в солонцовых горизонтах при более еысохих влажнсстях (25 - ЗОЙ от веса тлвы) по сравнен™ с гумусовым слоем и почвоо-бразующей породой,что объясняется значительным заселенней и ло-вышннннм содержанием здесь обменного натрия.

Подчеркнем,что а лугово-каштансвых иалскатриевьос солонцах максю-г/и гемлералуропроводности отмечен при меньших влаашостях (в гор.В^ при 25й,а в гср.Бд при 18М от веса лочбы).Относительные

изменения температуропроводности и солонцах невелики.

От суглинистых лугоэо-черноземшх и глинистых лугоио-каыта-ковых солонцов сильно отличается лугово-черноземныИ солонец, сформировавшийся на песках Касмалинской сюты, которыми заполнены ложбины древнего стока.

Супзсчанал верхняя часть и песчаная почвосбразую^ая порода, несмотря на сильное засоление и больное количество обменного натрия обусловила невысокую гигроскопичность и водоудориизаваую способность генетических горизонтов солонца.

Увлажнение супесчаного профиля вызывает резкое увеличение коэффициентов теплопередачи (в 2-3 раса) и приводит к их значительным абсолютным величинам.'Гак, коэффициенты темпоратуропрсвод-и сети и теплопроводности в гу1<усоЕом слое составили 0,810x10""® м2/с и 1,6С8 Вт/(м К),а в подстклещей породе даже 0,910х10"®м^/с и 1,703 Вт/(м К).

Максимум температуропроводности солонцового горизонта здесь приходится на влажность 12%, а в Шиселскагщх - на 6-7^ от веса почвы,что превышает НВ.

Резкая дкфферснциади почвенного профиля солоди по гранулометрическому составу,увеличение дисперсности,плотности и количества аодораствориных солсй с глубиной предопределили повышенные аначешш гигроскопичности и влагсеккости в николегсоцих горизонтах. Зги причины на фоне значительной гумус;;роЕанности гор.Лг (7%) обусловили высокую удслыую теплоемкость верхнего слоя* (1144 Дд/(кг К)),б то время как в осолоделом горизонте ока оказалась равной только 935 ДлДзсг К).

О&ясицуи тешературопроводаостк подсгилаюв^эс более засоленных горизонтов в сслодк приходится на шаткость, блиэку» к 25%, & в верхнпх этот окетрсиуы отмечем при 18-2(Хь почвенного увлажнения.

Анализ влияния влаги на степень изменения средних для деятельного слоя тенлсфизических показателей засоленных, почв Юго-Западной Сибири позволило установить ,что величина ДАТ прежде •в;;его определяется их гранулометрическим составом.Так,наиболее активно откликается на повышение влажности супесчаный лугово-чернозеыныЬ солонец (табл.2).

Среднесуглинистыз солонцы Приобского плато слабее отзывается на водную мелиорация.Более тяделые по механическому составу солончак и солода характеризуются ДАТ,равным 0,СВ0х10-6 и 0,072x10* м^/с.Глинистый лугово-каитановый солонец по степени отзывчизости

наиболее пассивен.

Таблица 2

Почванно-теплофизичесюте константы,диапазон активной температуропроводности (,цат) .оптимальная температуропроводность (от) засоленных почв Вго-Западиой Сибири Лвз с^ЕЗ а вз Лнв су 11В а НЕ дат от

Солонец лугово-черноземный содово-хлорвдный супесчаный,Р.Кс 0,000 1,638 0,488 I,412 2,100 0,67Й 0,184 0,661

Солонец лугозо-черкозешый хлоридно-содовый среднееугл.,Р.15с 0,742 2,193 0,333 1,279 У,838 0,450 0~Н2 0,413

Солонец лугоьо-чорнозе1шый сульфатный средпесуглинистый,Р.16с 0,656 1,728 0,380 1,105 2,352 0,470 0,С90 0,442

Солончак луговой тяяселосуглинистый,РЛ7с 0,716 1,875 0,382 1,053. 2,275 0,462 0.С60 0,452

Солодь луговая легкоглинистая,Р.18с 0,688 2,052 0,335 1,100 2.7С0 0,407 0,372 0,397

Солонец лугоЕо-кашт.содово-сульфатный сраднеглинистый,Р.13с 0,840 2,075 0,401 1,143 2,725 0,419 0,052 0,436

Оцеш.ть качество засолеш1ых почв согласно ОТ не представляется возможным из-за их различного генезиса.В целом оптшальная температуропроводность засоленных почв оказалась ниже,чем у основных почвенных типов а наблюдалась при более высокой влатаости.

Полученный банк данных по теплсфизическим свойствам почв Юго-Заладной Сибири позволил нам решить вопрос о их картировании. В основу по«венных карт были полдаенн значения теплоемкости,тепло- и температуропроводности,соответствуйте абсолютно сухоиу состоянию почв данной территории. Это делает почвенную карту независимой от разнообразных климатических особенностей и гидро-тердаеских режимов почв,складывающихся в различные, годы.

Картирование теплоф'изических коэффициентов затруднено из-за пестроты почвенного покрова.Поэтому необходим выбор некоторого постоянного параметра,коренным образом определяющего состояние почвы.Эгим параметром является гранудомегрический состав и карта теплофизического состояния,пс нашему тетю,должка быть увязана с этим наиболее консервативны.! почвенным фактором.

Ка рис.6 представлена карта-схема удельной теплоемкости.На ней выделяются три района,характеризующиеся разной теплоемкостью и приуроченные к определенным геоморфологическим и почвенно-климатическим зонам.Наибольшей удельной теплоемкостью (болео 1100

I 2 .3 4 Рис, С. .Карта-схема удельной теплоемкости почв юго-восточной части Западной Сибири.

1 - менее 900Д?./(кг К); 2 - (900 - 1000) кг К); 3 - (1000 -1100) Дк/(кг К); 4 - (1100 - 1200) ДкДкг К).

12 3 4

Рис. 7. .Карта-схема температуропроводности почв юго-восточной части Западной Сибири.

- более 0,40хЮ~^м^/с; 2 - (0,40 - 0,35)х10~б1.12/с; 3 - (0,35 -0,30)хЮ"6!/3/с; 4 - менее О.ЗОхКГ^/с.

Й5/(кг К)) обладают выщелоченные и обыкновенные сильно гумуси-рованные и тяжелые по механическому составу черноземы предгорий и низкогорий Алтая.

Меньшей теплоемкостью отличаются суглинистые и менее гумус-ные черноземы Приобского плато.

Удельную теплоемкость в интервале 600 - 1000 Дх/(кг К) имеют каштановые почвы Центрально-Кулундинской депрессии.

Аналогичное распределение характерно и для теплопроводности почвенного покрова данного региона.

На картах-схемах температуропроводности (рис.7) и ДАТ наряду с указанными районами выделяются участки Приобского плато занятые черноземам выщелоченными с повышенными (сопоставимыми с каштановыми почвами) значениями коэффициента температуропроводности.

По нашему мнению разработанные карты-схемы могут бить полезны при обосновании и проектировании оптимальных водно-тепловых ыелио-раций,направленных на повышение почвенного плодородия.

ГЛАВА У. АНТРОПОГЕННЫЙ ёАКТО? И ТЕПЛ0ЙШ-ЧЕСК0Е СОСТОЯНИЕ ПСНВ ЕГО-ЗАВДОЙ СИБИШ

В условиях Его-Запздной Сибири,где основной земельный фонд представлен потенциально плодородными черноземными и каштановыми почвами»зачастую ощущается недостаток влагообеспеченности. Поэтому для улучшения водного .редима почв все тире используется орошение на базе мосткых водцых запасов.

Б то же время способы рационального природопользования при гидромелкорациях требуют дальнейшего совершенствования.Открытым ■ остается вопрос о направлении изменений теплсфизкчеоких коэффициентов, отсутствует прогнозирование теплофкзического состояние почвы при многолетнем орошении.

В связи с этил нами были исследованы термические характеристики ороггаемых черноземов и к'аштановых почв на фоне контрольных почвенных разрезов.

В табл.3 представлены средние для деятельного слоя объемная теплоемкость,тепло-и температуропроводность черноземных и каштановых почв как богарных,так и орошаеыых длительное время (15-20 лет).

Объемная теплоемкость почвы при орошении,как следует из I табл.3 возрастает (наиболее заметно в темно-каштановых почвах -на 15,6^).В то ке время температуропроводность уменьшается (в че|

ноэемах на 5-10%,в каштановых почвах на 10-14?»).

Кроме того.мелиорированные почвы имеют меньшую ДАТ,что переводит их в более низкий класс отзывчивости на орошение.При этом снижается и теплофизический бонитет орошаемых почв.Так,в черноземах,находящихся в богарных условиях,средний балл ботте-та составляет 88,а в орошаемых только 83.В темно-каштановой почве соответственно 96 и 88 баллов.

Таблица 3

Теплофизические коэффициенты деятельного слоя черноземов и каштановых почв е абсолютно сухом состоянии (числитель-богара,знаменатель - орошение) Т2?Х Выщелоченные черноземы Темно-каш-

тановые почвы Р.2п/РЛ Р.7к/Р.4к 0.504

Л

t'ü хЮ"

гб

a xio

Р. 6п/Р.5п 0,486 0,479 1,301 1,342 0,374 0,356

Р.бп/Р.Тп 0.530 0,507 1.344 1,401 0,394 0,362

0,453 I.37I 1,473 0.368 0,335

0,541

0,555 1,270 1,480 0,423 0,372

Лугово-каштановые почвы Р.12к/РЛ1к 0.578 0,546 1,450 1,520 0,387 0,351

Примечание: размерность термических коэффициентов дана в системе СИ.

Длительная ищюмелиорация, следовательно, отрицательно сказывается на теплофизическом состоянии почвенных профилей.Причем, снижение эт.ос последствий мы видим в использовании оптимальных, основанных на научном расчете,поливных норм,которые базируются на знании гидротермических показателен почвезных горизонтов.

В настоящее время: остаются тахко неизученными некоторые в опросы,снизанные с регулированием теплофизическим состоянием почв в условиях Сибири.В связи с этим нами в 1983-1989 гг.были проведены исследования по изучен™ влияния сидералышх паров .химической мелиорации и глубокой плантажной обработки на изменение термических показателей .»очв степной зоны Юго-Западной Сибири.

Одним из путей повышения плодородия мелиорированных засоленных почв является использование сидерального удобрения из донника,которое,с сдаой стороны,способствует накоплению гуыуса и элементов питания ,о. другой - улучшает физическое состояние почвы.

Улучшение структуры почвы при этом,обогащение ее раститель-

ныш остатками оказала положительное воздействие на тепловые свойства пахотного слоя,что способствовало формированию здесь менее напряженного гидротермического режима к,в конечном счете, повышению продуктивности почвы (ура&айность суданской травы в ■ 1964 году по сидеральному пару составила 28,9, а по черному -19,4 ц/га)(Трофимов,Макарычев и др. ,1987).

Химическая мелиорация также меняет термические свойства почвы. Так,гипсование солонца приводит к уменьшению объемной теплоемкости пахотного горизонта.При этом возрастают коэффициенты теплопередачи.

Кроме того,мелиорация солонцовых комплексов заметно влияет на динамику влажности и теплофизических характеристик почвы в течение вегетационного периода.

Глубокая плантажная обработка обеспечивает перемешивание почвенного профиля,что вызывает рост коэффициентов тепло- и температуропроводности и смещение экстремальных значений этих величин в сторону оптимальных для теплопередачи условий теплообмена-

ВЫВОДЫ

I.Особенности литогенеза,физико-механических и водао-физи-ческих свойств почв нашли отрзкенке в формировании их теплофи-зического состояния.Так,глинистые черноземы предгорий и низкого-рий Алтая характеризуются минимальными значениями тепло- и температуропроводности и повышенными - удельной теплоемкости по сравнению с равнинными суглинистыми черноземами и каштановыми почва-ми.В результате легкие каштадовйе почвы Кулунды и черноземы Приобского плато в начале вегетации быстрее прогреваются,являясь более "теплыми",чем тяжелые'и «шее динамичные "холодные" глинистые черноземы,

2.В соответствии с гранулометрическим составом почвенных профилей максимум температуропроводности к критическое значение теплопроводности могут сдвигаться в области пониженной илк повышенной влажности.При этом в легко- к средиесуглинистых черноземах экстремальное значение температуропроводности лежит в интервале увлажнения, близ кого к ВРК. В более дисперсных глинистых горных черноземах оно смещено к влажности эавядашш.Кроме того,легкие по механическому составу почвы характеризуются более высоки«« значениями коэффициентов теплопередачи.

3.Проведена классификация почв Юго-Западной Сибири согласно

среднему диапазону активной температуропроводности (ДАТ) их деятельного слоя.Для черноземов выделено три класса отзывчивости на гидромелиорацию,для каштановых почв - четыре.

Произведена оценка (бонитировка) почв на основе оптимальной температуропроводности (ОТ).Приняв в качестве бонитировочного стандарта профиль выщелоченного чернозема Приобья,верхние горизонты которого представлены средним,а нккние легким суглинком, Ш определили балл бонитета для основных подтипов равнинных и горных черноземов,а также для каштановых лочв.

При этом оказалось,что среди равнинных черноземов среднесуг-линистне выщелоченные черноземы Приобского плато имеют балл 90,5; легкооуглинисгые - 88,0;обыкновенные среднесуглинистыв - 80,0. Глинистые горше черноземы характеризуются более низким баллом (55,0 - 64,0).

Среднесугишмстые темно-каштановые почвы Хулунды имеют в своем классе 100 баллов,а лугово-каштановые - 63.

4.Впервые исследованы теплофизические коэффициенты комплекса засоленных почв Юго-Западной Сибири.Несмотря на некоторые особенности в распределении теплофизических показателей по генетическим горизонтам,почвы солонцового комплекса имеют и ряд общих черт. Как правило,коэффициенты теплопередачи з засоленных горизонтах ниже,их отнсеигельшо изменения невелики.Максимум темпера'гурслро-водности смещен в сторону больших влажностей.

3.Проведено картирование теплофизического состояния почв региона. Составлены карты-схемы удельной теплоемкости,тепло- и температуропроводности и ДАТ.Еыделены несколько районов,приурочен-ных к определенным геоморфологическим и почвенно-климатичесиш зонам.Нгшбслывей удельной теплоемкостью (более 1100 кг К)) и наименьшей температуропроводностью (менее 0,ЗхЮ~б|/*/с) обладают глинистые черноземы предгорий и низкогорий Алтая.

Оптимальными термическими показателями характеризуются суглинистые черноземы Приобского плато.Удельную теплоемкость около 900 Дк/(кг К) и теплопроводность более 0,5 Вт/м К) имеют каштановые почвы Центрально-%лундшской депрессии.

Полученные карты могут быть использованы в сельскохозяйственном производстве для обоснования и проектирования оптималышх водно-тепловых мелиораций.

6. На основе экспериментального изучения теплофизических свойств почв разработаны математические модели для опрзделешая

тепло- и температуропроводности черноземов в зависимости от степени .дисперсности,содержания гумуса,плотности,влажности и температуры.

3 практической деятельности может использоваться полученный нами способ расчета удельной теплоемкости почвы,который требует только знания объемного веса и полной влагоемкости почвы.

7.Показано,что основная роль в процессе тепломассообмена в почве принадлежит кондуктивной теплопередаче и парообразной влаге,перемещающейся под действием градиентов температуры.Разработан способ непосредственного определения диффузионных составляющих комбинированного механизма теллопереноса, защищенный авторским свидетельством.

6.Созданы автоматизированная лабораторная установка,полевые электротерлометры и приборы для измерения тепяофизических коэффициентов в естественных условиях.

9,Исследовано влияние длительного орошения на формирование теплофиэического состояния черноземных и каштановых почв.Предложен а методика расчета норм орошения на основе оптимальных тепло-физических показателей.Отмечено,что гидромелиорации в течение многих лет вызывают постепенную деградацию почв.ухудшая их физические и термические свойства,

10. Установлено,что одним из путей повышения плодородия .улучшения теплофизических свойств и гидротермических режимов почв солонцового комплекса сухих степей является использование си-дералышх удобрений.

Наибольший эффект в оптимизации теплофизических свойств и режимов засоленных почв вызывает применение глубокой плантажной обработки,способствующей садомелиорации на фоке дополнительного внесения гипса.

ПРВДШШМЯ ПРОИЗВОДСТВУ ' ' 1.В условиях !рго-Западной Сибири гидромелиоративное воздей-' ствие на почву,используемую в земледелии,должно учитывать реально складывающееся в почвенном профиле теплофизичесхое состояние. Его объективная оценка возможна на основе практического применения разработанных нами карт пространственного распределения коэффициентов теплопередачи и тепл©аккумуляции по территории региона.

2.С цсчью еншения отрицательных последствий для почв,ороша'

иых длительное время,необходимо использование в каждом конкретном случав оросительных норм,оо'еспечиващих такой гидротермический режим деятельного слоя почвы,который бы способствовал повышению ее продуктивности.При этом расчзт норм орошения,по нашему мнению,должен базироваться на формировании оптимальных теплофи-зичеоких коэффициентов в почвенном профиле согласно предложенной методике.

3. Разработанные многофункциональные математические модели коэффициентов тепло- и температуропроводности предлагается использовать в практической деятельности для осуществления экологического мониторинга за теплофкзическим состоянием деятельного слоя .

4.Применение в агрономических целях полученных нами зависи-иостей и номограмм по расчету удельной теплоемкости и коэффициентов теплопередачи дает возможность прогнозировать результаты воздействия на почву различных агроприемов, и,тем самым,способствовать рациональному природовальзовшпш.

5.Для улучшения гидротермического режима пахотного слоя на солонцовых комплексах сухостепной зоны Юго-Западной Сибири,вовлеченных в сельскохозяйственное производство,целесообразно использование евдеральных удобрений из донника.

6.Рекультивация засоленных почв,а,следовательно,оптимизация их теплофизического состояния и,в конечном счете,повышение их проективности возмсгшы на основе одновременного применения глубокой плантажной обработки о одновременным внесением rirnca, обусловливающих рассоление почвегаого профиля.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДО.ССЕРТАЦЩ (х - работы выполнены в соавторстве) •I,Монография ■

1.х Теплофизические свойства и режимы черноземов Приобья/ Панфилов В.П. ,-Макарычвв C.B. .Лунин А.И. л др.-Новосибирск: 1!аука.-1981,- 120 с.

Л.Научьыв статьи

2.х Применение тепловых юя1ульсов для определения Teunepaiy-. ропроводаости почвы//Тр.Алтайского СХИ,1977,-вып.28.-С.10Ф-Г0Ч.

3.х Использование импульсных методов в сельскохозяйственном производства для определения теплоемкости почвн//Тр.Алтайского СШ, I977.~Eun.28.-С. 1ББ-135.

4.х Установка для определения теплофизичеекйх характеристик почв//Алт.1рга.-Вар1аул,1978.-(ЙВ5.-4 с.

. 5.х Объемный вес и теплофиэические свойства почва//йзвестия СО АН СССР/Ъиология,1978,-Бып.З.-СЛО-12.

6.х Метод определения молекулярных теплофиэических характеристик псчвы//Алт.ЩИ.-Барнаул,Ю78.- 4 с,

7.х Прибор для определения те лл офиз ич е ских свойств почЬы// Алт.ЦШ.-5арнаул,1976.-ВДЗ.- 4 с.

8.х Влияние температуры и влажности на температуропроводность выщэяочеиного чернозема Алтайского Приобья//Тр.Алтайского СХИ, 197В.-БЫП.31,-0.31-35.

9.х Истинные и эквивалентные теплофизические характеристики почвы//Тр.Алтайского СХИ,1978.-Вып.32.-С.50-53.

Ю.х Динамика теллофийических свойств почвы под некоторыми сельскохозяйственными культурами//?«.: а:е.-СЛ21-125.

II 0 влиянии температуры и. влажности на теплоемкость почвы// Тр.АлтаЙского СХИ,1&79.-Бып.35.-С,52-57. - ..

12.х Термический ралш выщелоченных чернсзеглов Алтайского Прксбья в зависимости от характера агроценоза//Водно-пищевой ' реаш почв и его регулирование при возделывашш сельскохозяйственных культур»-Барнаул, 1581.-С. 24-32.

13.х Особенности формирования теплофизкческого режима сезонпо-керздогных чзрноземо£//Мерзлстнс~П!дротерм;'1ческз:й раккм промерзающих почв, его регулпро2ание,1:спсльзо£а^>ис.' и охрана.-1,1:Наука.-■ I982.-C.I4.

14. К вопросу о влиянии массопореноса на определение тепловых свойств влажных материалов//£кзика твердого тола.-Барнаул, К82.-С.21-23.

15,х Некоторые закономерности хлагопереноса в почвах разного механического состава//Проблемы почвоведения.-Ы:Каука,1982.-

С.13-17.

16,х Физические условия тепломассообмена в профиле вкщелочен-■ ных черноземов Алтайского Приобья//Экологические проблемы интенсификации земледелия в Алтайском крае.-Барнаул,K-S3.-C.I4-17.

17, О распределении тепловых свойств в профиле выщелоченных черноземов Алтайского Приобья//Тез.науч.-прак.конф.-Новосибирск,

. I983.-G.2o. .

18.Экспериментальная установка для определения геплофизкческих характеристик различных материалов в автоматическом реж«ме//Нву-

чно-техническому прогрессу - творческий поиск ВУЗов:-Тез.кокф.-Барнаул,1983.

19 .х Сравнительная характеристика теплофизических свойств некоторых типов почв//Там же.

20.х Теплофизические свойства солонцов степной зоны Алтайского края//Там же.

21. Влияние растительного покрова и снегозадержания на формирование температурного режима черноземов Алтайского Приобья// Земельные ресурсы Алтайского края и вопросы интенсификации юс использования.-Новосибирск,1983.-С.57-65.

22.х Теплофизические свойства солонцов засушливой степи, Алтайского края//Тр.Омского СХИ.-1964.-С.28-35.

23.х Оценка изменений водно-тепловых условий в черноземах Западной Сибири при орошении//1шшат почв.-Г1ущино,1985.-С.Ш-122.

24.х Особенности теплофизических свойств дерново-подзолистых и серых лесных почв Алтайского края//Почвенно-агрохимические проблемы земледелия в Алтайском крае:-Тез.конф.-Барнаул,1984.-С.14.

25.х Теплофизические свойства дерново-подзолистых и серых лесных почв Алтайского края//Земельно-оценочные проблемы и рациональное использование земли в Алтайском крае.-Барнаул,1986.-С. 150-159.

26.х Теплофизические свойства чернозема южного и некоторых интразопальных почв Алтайского края//Тр.Омского СХИ.-1986.-С. 11-16.

27.х Изменение теплофизических свойств солонцового комплекса Западной Сибири под влиянием сидерального пара//Докл.ВАСХ1Ш.-I987.-P5.-C.II-13.

2Ь. Почвенный эдектротермометр//Алт. иДТИ.-Барнаул, К-&8.-№П5.-С.1-4.

29. Полевой прибор для измерения тепло- и температуропроводности почвы//Алт.ц1 ГШ.-Барнаул, 19&С.-С. 1-4.

30.х Опыт мелиорации солонцов сухостепной зоны Алтайского края//Эффективность удобрений в севооборотах Алтайского края.-Барнаул,1988.-С.98-I10.

31.х Прибор для экспресс-анализа термических коэффициентов дисперсных сред//!изика твердого тела:-Тез.конф.-Барнаул,1950.-' С.82.

32.х Прибор для комплексного исследования термических коэффициентов дисперсных сред//Там же.-С.88-89. 1

33.х Способ определения коэффициента паропроницаемости Влажных капиллярно-пористых тел//Там же.-С.ЬЗ-84.

34.х Электротермометр для измерения тнмпературы капиллярно-пористых гел//Там же.-С.84-86.

35.х Устройство для измерения теплофизических характеристик почвогрунтов//Там же.-С.66-67.

36. Метод определения коэффициентов термопаропереноса во влажных почвах:-Тез. конф.-Барнаул, I9&0.-C.8-S.

37. Полевой электротермометр//Там же.-С.17-16.

38. Метод определения коэффициентов термопаропереноса во влажных почвах//Сб.тр.Алгайского СХИ/Современные методы исследований в агрономии.-Барнаул,I9S0.-C.8I-65.

39.х 0 совершенствовании импульсного метода определения теплофизических характеристик почвы//Тез.к I съезду почвоведов Узбекистана.-Ташкент, К90.-С.54-55.

40.х Тепловой режим солонцовых комплексов засушливой степи Алтайского края//Сб.тр.Омского СХИ.-в печати.

41.х Формирование гидротермического режима обыкновенных черноземов Бие-Чумышской возвышенности под влиянием полосного сне-гозадеркадия//Сб.тр.Алтайского СХИ.- в печати.

III.Авторские свидетельства

42.х Авторское свидетельство.-19Ь0.-№746209.

43.х Авторское свидетельство.-I980.-P78I6C6.

44.х Авторское свидетельство по заявке №4795637 от 06.01.90,

45. Авторское свидетельство по заявке И914260 от 25.02.91,

Подписано в печать 20.02.92. Формат 60x90/16.Думага писчая. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 2,0. Ткраж 100 экз. Заказ 137. Бесплатно.

Лаборатория множительной техники АГУ: 656099, Барнаул, Ул.Димитрова, 66