Тепловые свойства почвы

Тепловой режим играет большую роль в почвообразовании, т. к. с ним связана энергия происходящих в почве биологических, химических, физических и биохимических процессов. Он непосредственно влияет на рост и развитие растений.

Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация – главный источник тепла на земной поверхности. Среднее количество радиации, поступающей к Земле, составляет 8 Дж на 1 см² в одну минуту, но количество солнечной энергии, поступающей на поверхность почвы, меньше из–за рассеивания ее атмосферой, а также из–за отражения от земной поверхности.

Лучистая энергия Солнца, поглощаясь поверхностью почвы и превращаясь в тепловую энергию, может аккумулироваться, передвигаться от слоя к слою или излучаться с поверхности благодаря проявлению тепловых свойств почвы.

Тепловые свойства почвы. К тепловым свойствам почвы относятся: 1) теплопоглощение, 2) теплоемкость, 3) теплопроводность, 4) теплоизлучение.

Теплопоглощение – способность почвы поглощать лучистую энергию солнца. Она определяется по величине альбедо (А) в процентах. Альбедо представляет собой количество коротковолновой солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы и выраженное в процентах от общей величины солнечной радиации, достигающей поверхности почвы. Чем меньше альбедо, тем больше почва поглощает солнечной энергии.

На теплопоглощение почвы оказывают влияние ее окраска, влажность, покрытие растительностью, обработка. Влажные темноокрашенные почвы поглощают теплоты больше, чем светлоокрашенные, но у сухих почв этих же типов теплопоглощение понижается. Почвы, покрытые растительностью, поглощают теплоты меньше по сравнению с почвами парового поля, без растительности.

Теплоемкость почвы – свойство почвы поглощать теплоту. Различают удельную и объемную теплоемкость почвы. Удельная теплоемкость – количество теплоты в джоулях, затрачиваемое для нагревания 1 г сухой почвы на 1 ^оС. Объемная теплоемкость – количество теплоты в джоулях, затрачиваемое для нагревания 1 см³ сухой почвы на 1 ^оС. Удельная теплоемкость для большинства минеральных почв в абсолютно сухом состоянии колеблется в сравнительно узких пределах – 0,7123–0,838. По мере повышения влажности теплоемкость песчаных почв возрастает до 2,933, глинистых – до 3,352, а торфянистых – до 3,771. Глинистые почвы более влагоемки и весной медленно прогреваются. Поэтому они называются «холодными» почвами. Легкие почвы (песчаные, супесчаные) весной прогреваются быстрее, вследствие чего их называют «теплыми».

Теплопроводность – способность почвы проводить теплоту. Количественно она характеризуется коэффициентом теплопроводности. Он равен количеству теплоты в джоулях, проходящему в секунду через 1 см² почвы слоем 1 см. Теплопроводность минеральной части почвы не превышает 0,02–0,03. В сухом состоянии почвы, богатые гумусом и обладающие высокой пористостью, очень плохо проводят тепло.

Механический состав почв оказывает непосредственное влияние на значение теплопроводности. Оно тем больше, чем крупнее механические элементы почвы. Установлено, что теплопроводность фракции крупнозернистого песка при одинаковой пористости и влажности в 2 раза выше, чем крупнопылеватой фракции. Теплопроводность твердой фазы примерно в 100 раз превышает теплопроводность воздуха, поэтому рыхлая почва имеет более низкий коэффициент теплопроводности, чем плотная. При изменении плотности от 1100 до 1600 кг/м³ теплопроводность возрастает в 2–2,5 раза. Обратная зависимость обнаруживается между пористостью и теплопроводностью: при увеличении пористости от 30 до 70 % теплопроводность уменьшается в 6 раз.

Прямое влияние на теплопроводность оказывает степень увлажнения почвы. При одинаковой дисперсности и плотности более влажная почва характеризуется большей теплопроводностью, чем сухая. При изменении влажности пахотного горизонта южного чернозема от 0 до 25–30 % теплопроводность возрастает в 5 раз. При повышении влажности теплопроводность более резко увеличивается у плотных почв.

Теплоизлучение – способность почвы излучать тепловую энергию с 1 см² поверхности в 1 с. Оно зависит от влажности почвы, содержания гумуса и состояния поверхности. Вода обладает наиболъшим теплоизлучением, поэтому почвы переувлажненные, особенно глинистые, излучают теплоты больше, чем сухие, песчаные. Почвы, богатые гумусом, теряют теплоты меньше, они более теплые, чем почвы бедные им. Участки с невыровненной поверхностью обладают большим теплоизлучением, чем ровные.

Тепловой режим почвы – совокупность всех явлений поступления, передвижения и отдачи теплоты почвой. Основной показатель этого режима – температура почвы. Поэтому тепловой режим часто называют температурным. Определяется он температурой почвы на различных глубинах и в разные сроки. Лучистая энергия поступает к поверхности почвы в течение года и суток с неодинаковой интенсивностью, поэтому различают годовой и суточный ход температуры почвы.

В умеренных широтах годовой ход температуры почвы характеризуется минимумом в январе или феврале и максимумом в июне или июле.

В течение года наибольшим колебаниям подвержена температура поверхности почвы. Годовые колебания температуры достигают в поверхностном слое черноземов 25–30 ^оС, тогда как на глубине 2 м они значительно меньше (до 10 ^оС).

Каждому почвенному типу присущи свои пределы температуры на глубине 20 см, поэтому основным показателем теплового режима почвы считается ее средняя температура на этой глубине.

Суточный ход температуры характеризуется одним максимумом (около 13 ч) и одним минимумом (перед восходом солнца) и поэтому имеет форму синусоиды. Наибольшая амплитуда колебания температуры в течение суток свойственна для поверхностного слоя почвы. В глубоких горизонтах колебания температуры уменьшаются, и в слое 40–50 см ход температуры в течение суток приближается к прямой.

В зависимости от среднегодовой температуры и характера промерзания почвы выделяют четыре типа температурного режима почв: мерзлотный, длительно сезоннопромерзающий, сезоннопромерзающий, непромерзающий.

Мерзлотный тип температурного режима характерен для местностей, где среднегодовая температура профиля почвы отрицательная. В таких почвах преобладает процесс охлаждения, сопровождающийся промерзанием их влаги до верхней границы многолетнемерзлых пород. Этот тип теплового режима выражен в почвах ряда провинций, Евразиатской полярной и Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной областей.

Длительно сезоннопромерзающий тип температурного режима проявляется на территориях, где преобладает положительная среднегодовая температура почвенного профиля. Глубина проникновения отрицательных температур не менее 1 м, но смыкания сезонного промерзания с многолетнемерзлыми породами не наблюдается (не исключается отсутствие многолетнемерзлых пород). Длительность промерзания не менее 5 месяцев.

Сезоннопромерзающий тип температурного режима отличается положительной среднегодовой температурой почвенного профиля. Промерзание не более 5 месяцев. Подстилающие породы немерзлые. Длительно сезоннопромерзающим и сезоннопромерзающим типами теплового режима охватывается наибольшая часть территории России.

Непромерзающий тип температурного режима наблюдается в местностях, где промерзание профиля почв и морозность не проявляются. К ним относятся теплая южноевропейская зона и области субтропического пояса.