Тепловые свойства почвы

Приток лучистой солнечной энергии к поверхности почвы зависит от широты и рельефа местности, состояния поверхности почвы (покрытие растительностью), а также времени года и суток и состояния атмосферы (ясно, пасмурно и пр.). В Северном полушарии суммарный приток солнечной радиации увеличивается при движении с севера на юг. Наибольший приток солнечной радиации получают южные склоны, наименьший — северные.

Наряду с условиями, определяющими приток солнечной энергии, важное значение в формировании теплового режима почвы (поглощение тепла, нагревание и охлаждение) имеют тепловые свойства почвы. К тепловым свойствам почвы относятся тепло-поглотительная способность, теплоемкость и теплопроводность.

Теплопоглотительная способность — способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца. Она характеризуется величиной альбедо (А). Альбедо — количество коротковолновой солнечной радиации, отраженной поверхностью почвы и выраженное в % общей величины солнечной радиации, достигающей поверхности почвы. Чем меньше альбедо, тем больше поглощает почва солнечной радиации. Оно зависит от цвета, влажности, структурного состояния, выравненности поверхности почвы и растительного покрова.

Приведем альбедо (%) различных почв, пород и растительных покровов (Чудновский, 1959): чернозем сухой – 14, чернозем влажный – 8, серозем сухой – 25-30, серозем влажный – 10-12, глина сухая –23, глина влажная – 16, песок белый и желтый – 30-40, пшеница яровая – 10-25, пшеница озимая – 16-23, травы зеленые – 26, травы высохшие – 19, хлопчатник – 20-22, рис – 12, картофель – 19.

5

Темно-каштановая почва (черноземы и др.) поглощает больше солнечной радиации, чем светло-каштановые (подзолистые, сероземы и др.); влажная – больше, чем сухая.

Теплоемкость — свойство почвы поглощать тепло. Характеризуется количеством тепла в джоулях (калориях), необходимого для нагревания единицы массы (1 г) на 1 °С — весовая (или удельная) теплоемкость или объемная — в 1 см³ на 1 °С; зависит от минералогического, гранулометрического составов, содержания органического вещества, влажности, пористости почвы и содержания воздуха. Теплоемкость воды равна 1,000 кал, торфа – 0,477, глины – 0,233 и песка – 0,196 кал.

Из этих данных видно, что вода – наиболее теплоемкий компонент почвы по сравнению с минеральными и органическими ее частями. Поэтому для повышения температуры влажной почвы требуется больше тепла, чем для сухой. Влажные почвы медленнее нагреваются и медленнее охлаждаются, чем сухие. Глинистые почвы как более теплоемкие во влажном состоянии нагреваются весной медленнее по сравнению с песчаными. Осенью при большем увлажнении они медленнее охлаждаются и становятся теплее песчаных. В связи с этим, изменяя влажность и пористость почвы поливами и обработкой, можно в определенных пределах регулировать температуру почвы.

Следовательно, теплоемкость почвы в значительной степени зависит от влажности: чем влажнее почва, тем больше тепла требуется для ее нагревания. Поэтому песчаные почвы теплее глинистых, а из-за плохой испаряющей способности они слабее охлаждаются. Весной такие почвы становятся пригодными для обработки на 2—3 недели раньше, чем почвы суглинистые.

6

Теплопроводность — способность почвы проводить тепло. От нее зависит скорость передачи тепла от одного слоя к другому, а следовательно, и способность почвы быстрее или медленнее нагреваться или охлаждаться в определенной толще ее профиля. Она измеряется количеством тепла в джоулях (калориях), которое проходит за 1 с через 1 см² слоя почвы толщиной в 1 см. Отдельные составные части почвы имеют разную теплопроводность. Минимальной теплопроводностью обладает воздух (0,00006 кал), затем торф (0,00027 кал) и вода (0,00136 кал). Теплопроводность минеральной части почвы в среднем в 100 раз выше, чем воздуха, и в 28 раз, чем воды.

Поскольку в почве наряду с ее твердой (органической и минеральной) фазой в порах присутствуют воздух и вода, то теплопроводность сильно зависит от влажности почвы и содержания в ее порах воздуха. Поэтому чем влажнее почва, тем выше ее теплопроводность, а чем рыхлее, тем ниже.

Чем больше гумуса и воздуха в почве, тем хуже она проводит тепло, т. е. тем длительней удерживается в ней аккумулированная солнечная теплота. Наоборот, почвы, обедненные гумусом, бесструктурные, плотные, с небольшим содержанием воздуха и сильно увлажненные, способны быстро терять тепло.

Почвы, богатые гумусом, излучают меньше тепла и более теплые, чем почвы, бедные им. Существенно ослабляет потерю почвой тепла растительный покров, а зимой — и снеговой.

Теплопроводность рыхлого снега очень невелика, поэтому при наличии его на полях сильно уменьшается теплоизлучение почвы. В степных районах, где снег сдувается ветрами, мероприятия по его задержанию на полях приобретают большое значение.

7

Воздушно-сухая почва обладает более низкой теплопроводностью, чем влажная. Это объясняется большим тепловым контактом между отдельными частицами почвы, объединенными водными оболочками.

Наряду с теплопроводностью различают температурпровод-

ность – ход изменения температуры в почве. Температуропроводность

характеризует изменением температуры на единице площади в единицу времени.

Она равна теплопроводности, деленной на объемную теплоемкость почвы.

При кристаллизации льда в порах почвы проявляется кристаллизационная сила, вследствие чего закупориваются и расклиниваются почвенные поры и возникает так называемое морозное пучение. Рост кристаллов льда в крупных порах вызывает подток воды из мелких капилляров, где в соответствии с уменьшающимися их размерами замерзание воды запаздывает.

Зависимость температуры замерзания воды от диаметра капилляров

(по Огиевскому)

|Диаметр капилляра (мм) |1,57 |0,24 |0,15 |0,06 |

|Температура |-6,4 |-13,3 |-14,5 |-18,5 |

|замерзания(оС) | | | | |

В связи с тем, что многие источники притока тепла и расходования его

исчисляются еще недостаточно точно, тепловой баланс определяется

приближенно по упрощенной формуле:

Е = А(приток) – Б(расход),

8

а также

Rб = B + L или Rб – V = B + L

где Rб – радиационный баланс (приход и расход лучистой энергии);

В – теплообмен в деятельном слое (почва + растения);

L – теплообмен в воздухе;

V – обмен тепла, связанный с влагооборотом – испарением и

конденсацией.

Источники поступающего в почву тепла и расходования его – неодинаковые для различных зон, поэтому тепловой баланс почв может быть и положительным и отрицательным. В первом случае почва получает тепла больше, чем отдает, а во втором – наоборот. Но тепловой баланс почв любой зоне с течением времени заметно изменяется.

Тепловой баланс почвы поддается регулированию в суточном, сезонном, годичном и многолетнем интервале, что позволяет создать более благоприятный термический режим почв.

Тепловым балансом почв природных зон можно управлять не только через гидромелиорации, но и соответственными агромелиорациями и лесомелиорациями, а также некоторыми приемами агротехники. Растительный покров усредняет температуру почвы, уменьшая ее годовой теплооборот, способствуя охлаждению приземного слоя воздуха вследствие транспирации и излучения тепла.

Большие водоемы и водохранилища умеряют температуру воздуха.

Весьма простые мероприятия, например культура растений на гребнях и

грядах, дают возможность создать благоприятные условия теплового,

светового, водно-воздушного режима почвы на Крайнем Севере.

9

В солнечные дни среднесуточная температура в корнеобитаемом слое почвы на гребнях на несколько градусов выше, чем на выровненной поверхности. Перспективно применение электрического, водяного и парового отопления, используя промышленные отходы энергии и неорганические природные ресурсы.

Регулирование теплового режима и теплового баланса почвы вместе с

водно-воздушным имеет весьма большое практическое и научное значение.

Задача заключается в том, чтобы управлять тепловым режимом почвы, особенно уменьшением промерзания и ускорением оттаивания ее.