Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

332	Ч. XIV. ТЕПЛОФИЗИКА ПОЧВ

от поверхности почвы радиационная энергия в виде ее длинно- и коротковолновой частей не расходуется на нагрев воздуха, а вновь поступаетвпочву,отражаетсянарядомрасположенныйпочвенныйгребень.

Если же анализировать процессы покрытия почвы различными материалами (тепловое мульчирование), нетрудно заметить, что они в самом общем случае способствуют теплоизоляции почвы. Из почвы теряется тепла меньше, но и поступает в нее меньше. Поэтому мульчирование поверхности окажет влияние на обогрев почвы, но только осенью и зимой, снижая теплопотери. А вот изменение цвета поверхности (изменение альбедо), применение прозрачных пленок, создающих тепличный эффект, это мероприятия для быстрого весеннего прогрева почвы.Именно весной, когда достаточновлаги, лимитирующим развитие растений фактором оказывается температурный. Проанализируем влияние температуры на рост и развитие растений.

5. Температурные оптимумы

Итак, для растений температура почвы весьма важна. Именнооналимитируетинтенсификациюбиохимическихпроцессов в семенах, лежащих в почве. Именно она ограничивает развитие некоторыхтеплолюбивыхрастений,длякоторыхважнасуммаположительных температур за вегетационный период.

Остановимся на зависимости продуктивности растений от температуры почвы. На рис.XIV.8 изображена зависимость урожая картофеля (вес клубней в лунке) от температуры почв. Очевидно, что этазависимостьимееткуполообразныйвид,вид,скоторыммысталкивалисьприанализевлиянияплотностинаурожайрастений,давленияпочвеннойвлагинаотносительнуютранспирацию.Этообщийвид

60вес клубней, г

40
20
0
0	5	10	15	20	25	30

T, 0С

Рис. XIV.8. Зависимость веса клубней картофеля от температуры почвы (по И.Б.Ревуту, 1972)

6. Классификации тепловых режимов

333

зависимости урожая (биопродуктивности) от действующего фактора, в данном случае от температуры. И этот общий вид зависимости характеризуется оптимумом, диапазоном значений фактора, в котором формируется наивысшая продуктивность. Для картофеля это температуры почвы от 16 до 21 24 °С. Это температурный оптимум, который характерен для каждого вида растений.

Кроме температурного оптимума имеет значение также температура прорастания семян и сумма средних температур за вегетационный сезон. Нередко эти три температурных почвенных фактора температура прорастания, температурный оптимум и сумма положительных температур за сезон называют кардинальными температурнымизначениями(Ревут,1972).Дляразличныхкультуронипредставлены в табл. XIV.3

Т а б л и ц а XIV.3

Температуры прорастания и температурные оптимумы почвы для некоторых растений (по Ревуту, 1972)

Растения	Минимальная	Температурный	Сумма средних
	температура	оптимум	температур
	прорастания
Ячмень, рожь	1–5	22–30	1400
Пшеница, овес,	1–5	25–31	1600
Подсолнечник	5–6	31–37	1800
Кукуруза, просо	3–10	37–44	1900
Хлопчатник, рис, арахис	12–14	37–44	3000–4000

Особое значение, как мы видим, для растений имеют температуры выше 10°С, причем и в почве, и над почвой, в приземном слое атмосферы. На этом принципе соотношения температур > 10°С приземного слоя воздуха и семенного слоя основаны и некоторые классификациитепловыхрежимов.

6. Классификация тепловых режимов

Как классификационный признак был предложен «терми-

ческий показатель» Н

H T 10o почвы ,T 10o воздуха

который был разработан известныой ученой Валентиной Николаевной Димо, много сделавшей для развития теплофизики почв. Физический смысл предложенного ею термического показателя состоит в том, что он указывает направление потоков тепла в системе по-

334	Ч. XIV. ТЕПЛОФИЗИКА ПОЧВ

чва приземный слой воздуха. Если Н будет больше 1, то почва будет выделять тепло, а если меньше она будет прогреваться. На этой основе и было выделено 3 типа тепловых режимов:

типизлученияН>>1; типнеустойчивого равновесияН 1; типинсоляцииН<1.

Подтипыбылопредложеновыделятьпопризнакуконтинентальности.Континентальностьхарактеризоваласьразностьютемператур в контрастные сезоны (зима лето) на глубине 20 см. Выделяют три подтипа:

умеренный, когда разность температур на 20 см составляет

15 20°С;

континентальный сезонная амплитуда температур 20 25°С; резко континентальный 25 30°С.

Вполне понятно, что приведенная классификация весьма общая для больших территорий. Она имеет прежде всего генетическуюнаправленность,какиклассификацияводныхрежимовпочв.

7. Методы изучения составляющих радиационного баланса и теплофизических свойств почв

Такие составляющие радиационного баланса, как прямая и рассеянная солнечная радиации, измеряют с помощью различных приборов, среди которых основным является пиранометр. Принцип этого прибора основан на том, что в нем имеются участки абсолютно черного тела (поглощающего все солнечные лучи) и белые, их отражающие. Как видно на рис. XIV.9, эти участки чередуются. К каждому из участков подведен конец дифференциальной термопары. За счет разности нагрева белых и черных участков в цепи возникает ток, который измеряют микроамперметром. Ток будет тем больше,чембольшеразностьтемпературчернойисветлойповерхностей, которая в свою очередь будет определяться интенсивностью прямой илирассеяннойсолнечнойрадиации.

Вполне понятно, что каждый прибор необходимо тарировать в контролируемых, стандартных световых условиях, для того чтобы потом пересчитатьвеличинусилытока всоответствующий радиационныйпоток.

Принцип определения основных теплофизических показателей вомногоманалогиченпринципамопределения,например,влагопроводности. Необходимо четко измерять градиент движущей силы

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ч. ХIV		335

Рис. XIV.9. Схема устройства пиранометра

и интенсивность потока. Так, при определении влагопроводности мы задаемградиентдавлениявлагииизмеряемпотоквлагивпочве.Здесь такжезадаюттемпературныйперепадвдвухточкахпочвеннойколонки,азатемконтролируютдинамикувыравниваниятемпературывэтих точках. По динамике температуры и геометрическим размерам колонки можно рассчитать и изменение температуры во времени, и изменение температуры по расстоянию между двумя точками.

Поуравнениютеплопереноса	T		2T	можно рассчитать коэф-
	t		z 2

фициентпропорциональности температуропроводность(подробнее см. «Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв», 2001). Теплоемкость же величину аддитивную – можно рассчитать при любой влажности по известным ее составляющим,содержаниюминеральногоиорганическоговещества, воздуха, воды.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Радиационный и тепловой балансы на земной поверхности этовзаимосвязанныепроцессыпоступлениярадиационнойэнергии в виде прямой, рассеянной радиации и противоизлучения атмосферы, ее последующее превращение на деятельной поверхности в тепловую. Последняя расходуется на нагревание почвы (растений и их фотосинтез), приземного слоя воздуха иэвапотранспирацию.

2. Поток теплав почве описывается закономФурье, который связывает поток с градиентом температуры через коэффициент пропорциональности коэффициенттеплопроводности :

qT T dTdz .

Явлениетеплопроводностиимеетнескольковнутреннихмеханизмов:

336	Ч. XIV. ТЕПЛОФИЗИКА ПОЧВ

кондукция перенос тепла при непосредственном контакте частиц друг с другом;

теплопароперенос переностепла совместнос парамиводы, образующимися(спотерейтепла)воднойточкепочвыиконденсирующимися (с выделением тепла) в другой;

конвекция прогревание за счет струйчатого перемешиванияжидкойигазообразнойфаз;

перенос тепла за счет прямого инфракрасного излучения.

Вмалой степени представлен в почвах.

3.Объемная теплоемкость Сv [кал/(см3·град)] численно равна количеству тепла, необходимому для нагревания одного см3

почвы на 1°С; удельная Сm [кал/(г·град)] количеству тепла, необходимому для нагревания одного г почвы на 1°С. Теплоемкость величина аддитивная, т.е. теплоемкость почвы складывается из теплоемкостей составляющих ее фаз почвы.

4.Коэффициенттемпературопроводности характеризуетспособность среды выравнивать свою температуру, которая определяется не только теплопроводностью среды, но и ее объемной теплоемкостью. Он численно равен повышению температуры, которое произойдет в единице объема почвы при поступлении в нее тепла, численно равного ее теплопроводности.

5.Для развития растений имеет значение температурный оптимум диапазон температур, при котором достигается наивысшая биопродуктивность, достижение почвой минимальной температурыпрорастаниясемянисуммасреднесуточныхтемператур за вегетационный сезон.

6.Классификация тепловых режимов основана на «термическом показателе»,характеризующемсоотношениепроцессовпоступления и выделения тепла почвой в теплый период года (тип) и степени континентальности (подтип), учитывающем амплитуду температур в разные сезоны на глубине 20 см.

Литература

Димо В.Н.ТепловойрежимпочвСССР.М.,1972.359с.

П а в л о в А. В. Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтахтерриторииСССР.Якутск,1975.302с.

Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств почв. /Подред.Е.В.Шеина.М.:Изд-воМоск.ун-та,2001.

Попов А.И.,Розенбаум Г.Э.,Тумель Н.В.Криолитология.М.,1985. Ревут И.Б.Физикапочв.М.:Колос,1972.368с.

Шульгин А.М. Температурныйрежимпочвы.Л., 1957.242с.

Шульгин А.М.Климатпочвиегорегулирование.Л.,1967.2-еизд.:1972;341с.

Часть XV РЕОЛОГИЯ ПОЧВ

Реология наука о течении и деформациях материальных тел. Заметим, именно всех материальных тел, не только жидкостей. В конечномсчетедажекристаллическиепороды,такиекакбазальт,гранит ипроч.,поддействиеммеханическихвоздействийтожеизменяютсвою форму,«текут».Ковсемприроднымтеламприменимыосновныепонятия и законы реологии. В том числе и к почве сухой, влажной, насыщеннойводой,влюбомеесостоянии.Течениедисперсногопочвенного тела,конечно же, будет иметьсвои особенности,связанные прежде всегостем,чтопридеформированиипочвыпочвенныечастицы(ЭПЧ, микроагрегаты, агрегаты) будут взаимодействовать, тереться друг о друга. Поэтомубольшоезначение будутиметь форма иналичиевлаги вокруг частиц, которая может играть роль определенной «смазки». Крометого,навзаимоположениепочвенныхчастицосновноевлияние будут оказывать связи между этими частицами. Поэтому основные теоретическиепозицииданнойглавысвязаныстипамисвязейиструктур межчастичного взаимодействия, а также с вопросами, которых мы коснулись при изучении части III «Структура почвы».

1. Типы связей и структур межчастичного взаимодействия

Кратко остановимся на основных типах связей и контактов между частицами. Рассмотрим сначала распределение сил притяжения и отталкивания между частицами. Не будем рассматривать природу этих сил, а воспользуемся понятиями «притяжение» и «отталкивание»какнекимисуммарными.Соотношениеэтихсилпредставлено на рис. XV.1. Нетрудно заметить, что по расстоянию от поверхности частицы (l) эти суммарные силы распределяются неодинаково. Силы отталкивания(кривая2)убываютпоэкспоненциальномузакону,асилы притяжения (кривая 1) по закону, близкому к степенному. Различный

338 Ч. XV. РЕОЛОГИЯ ПОЧВ

характер распределения этих двух

е					силобусловливаетформированиене-
ни
					которыхлокальныхмаксимумовпри-
ва
			2		тяжения между частицами. Это за-
лки
					метно по кривой, представляющей
та
	3				разностьсилпритяженияиотталки-
от
					вания (кривая 3). На определенном
	a	b	с	l	расстоянии от поверхности частиц,
					изображенном на графике отрезком
ние			1		аb, располагается ближний и самый
					большой максимум сил притяже-
яже					ния так называемый 1-й потенци-
					альныймаксимумпритяжения.Име-
прит
					ется и 2-й максимум притяжения,
					расположенныйдалекоотповерхно-
					сти частиц это 2-й дальнодейству-
Р и с . X V. 1 . Ф о р м и р о в а н и е					ющиймаксимумпритяжения(точка
«ближнего» (сильного, зона а–b) и					с). Соответственно если между ча-
«дальнего»			(слабого,	c)	стицами формируются связи за счет
максимумов притяжения между
дисперсными			частицами	(по	1-го потенциального максимума, то
Сергееву, 1971)					формируются прочные, чрезвычай-

но устойчивые образования из отдельных частиц. Если же частицы образовалинекоторуюструктурузасчетдальнодействующихсилпритяжения, эта структура будет рыхлой, плохо агрегированной. Таким образом, взаимодействие частиц по типам «ближнего» или «дальнего»максимумов притяжения формирует соответствующие структурныеобразования.Этопервыйпринципоценкиподверженностипочвы реологическим явлениям.

Кроме энергии притяжения, безусловно, на характер движения частиц друг относительно друга будет влиять и тип контактов. В основном различают три типа контактов. Это коагуляционные, кристаллизационныеисмешанноготипа.

На схеме (рис. XV.2, а) представлено образование коагуляционных контактов,которыеопределяютсяналичием межчастичныхпленок воды. Эти контакты позволяют частицам достаточно свободно двигатьсядруготносительнодруга,формироватьвременныенеустойчивые структуры, восстанавливаться после механического воздействия.Впрочем,еслиэтиконтактыобразованыближнимисиламипритяжения, они, безусловно более прочные, лучше структурированы. Их прочность определяется поверхностными силами межмолекулярного взаимодействия.

1. Типы связей и структур межчастичного взаимодействия

339

a			б			в

Рис. XV.2. Схема образования различных типов межчастичных контактов: а коагуляционного типа; б кристаллизационного; в смешанного типа

Контакты кристаллизационные наиболее прочные контак-

ты между частицами: частицы окружены общей пленкой воды, имеется заметная площадь контакта между двумя частицами, частицы практически неподвижны друг относительно друга (рис. XV.2, б). Такие системы будут прочными, слабонабухающими, устойчивыми к внешним нагрузкам.

И, наконец, контакты смешанного типа, представленные на рис. XV.2, в, занимают промежуточное положение, частицы лишь ограниченно подвижны друг относительно друга. Конечно, в реальных почвах представлены все три типа контактов преимущественно смешанного типа. В зависимости от гранулометрического состава, минералогического состава, состава органического вещества и других факторов доминируют те или иные. Оценка типа контактов это второйпринципоценкиреологическогоповеденияпочв.

Кроме того, на реологическое поведение будет оказывать влияние и форма частиц. Могут встречаться частицы весьма разнообразной формы, и электронные фотографии подтверждают это. Если частицы имеют игольчатую форму, то они способны формировать различные ячеистые структуры и поведение их будет весьма специфичным.Акруглыечастицыприбоковомвоздействии(сдвиге) способны«катиться»друготносительнодруга.Поведениетакогоприродного тела будет совсем иным, чем состоящего из игольчатых частиц. Именно с формой частиц во многом связаны такие явления, как тиксотропия, дилантасия и др., о которых речь пойдет ниже.

Итак,дляхарактеристикиреологическогоповеденияприродных объектов необходимо иметь в виду три принципиальных момента:

энергию притяжения, формирующую межчастичную связь: дальниеилиближниесилывзаимодействия;

типмежчастичногоконтакта:коагуляционный,кристаллизационный,смешанный;

форму частиц.

340	Ч. XV. РЕОЛОГИЯ ПОЧВ

Реология, кроме того что пользуется понятиями межчастичных взаимодействий, использует и классические законы течения материальныхтел.Дляихописаниянеобходимыколичественныекритерии, или основные реологические характеристики материальных тел.

2. Основные понятия

Деформация это относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность. Почвенные деформации это относительное смещение частиц твердой фазы (ЭПЧ, микро-, макроагрегатов), при котором не нарушается сплошность почвенной массы.

Деформация разделяется на различныевиды: упругие и пластические, которые в свою очередь разделяются на объемные (растяжения и сжатия) и деформации сдвига.

	растяжения, сжатия
упругая	(объемная)
(обратимая)
Деформация	сдвиг

растяжения, сжатия остаточная (объемная)

(пластическая)

сдвиг

Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки. Упругость свойство материальных тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил.

Остаточная деформация необратимая, изменения остаются ипосле снятиянагрузки.Еслитело неразрушается,непроисходитнарушения связей, это деформация пластическая (от греч.«пластос» – лепимость). Соответственно пластичность свойство материальных тел в определенных пределах претерпевать пластические деформации, необратимо деформироватьсяпод действиемвнешней нагрузки.

Вязкость(внутреннее трение) свойство материальныхтел (восновномжидких)приихтечениисопротивлятьсядействиювнешнихсил.

При описании деформации указывается напряжение, вызывающее деформации, обозначаемое и использующее единицы, аналогично давлению [Па, атм и пр.]. Различают две составляющие напряжений нормальное,котороедействуетперпендикулярноповерхности, – Р и, когда речь идет о сдвигающих давлениях, тангенциальное Р . Нормальное вызывает деформации растяжения и сжатия, а тангенциальное сдвиг (рис. XV.3).

2. Основные понятия

341

Для описания деформаций почв используют количественные параметры деформаций, описывающие изменения порового про-

странства почв.

Дляхарактеристикипроцессауплотненияподдействиемвнешней силы, перпендикулярной к поверхности образца (Р ), можно пользоваться величиной осадки или уплотнения почвы процен-

	та (доли)			изменения линейных илиобъемных lp			l0	l		l или
								l0
	V0 V		V							l0
					[%], где l и l0, V и V0 измененная и начальная длина
	V			V
	0			0

(высота), объем почвенного образца (см. рис. XV.3, а). Иногда используютмодульосадки величину,аналогичнуюосадкеилиуплотнению, eр это величина уменьшения длины ( l, в мм) образца исходнойвысотой(l0)в1мприприложениидополнительнойнагрузки:

ep	1000	l [мм/м].
		l0				б
		a
		P
	l				P
			l	0

Рис. XV.3. Схема возникновения деформаций сжатия (а) и сдвига (б)

Коэффициент пористости е есть отношение объема пор к объе-

му твердой фазы почвы: е	Vпор	,или,еслииспользоватьтради-
	Vтв.фазы			е					s	b	.
ционноедляфизикипочвпонятиепористости			то
					1
										b

Коэффициентпористостиявляетсяболеефизическиобоснован-

ным параметром при оценке деформаций, чем традиционная пористость, так как в процессе деформаций необходимо относить все линейныеилиобъемныеизменениякнезависящемуотэтихвоздействий