Результаты сравнения теплоемкостей верхней и нижней части катены показали, что наиболее теплоемким является её нижняя часть. Причем теплоемкость пахотного слоя здесь в 1,3-1,5 раза больше, чем в верхней её части.

Коэффициент температуропроводности практически не изменялся как в верхней части склона, так и в средней, его максимум достигал 0,68·10-6 м/с. Менее благоприятными условиями скорости изменения температуры обладал пахотный горизонт нижней части склона, в котором значение температуропроводности колебалось от 0,30·10-6 м/с до 0,41·10-6 м/с.

Аналогичные наблюдения за влажностью и теплофизическими характеристиками чернозема на различных элементах склона были проведены нами в течение вегетационных периодов 2006 и 2007 годов.

Полученные данные показывают, что к маю 2006 года общие запасы влаги в метровом слое на всех элементах рельефа вполне удовлетворительны. Эта тенденция сохранялась на протяжении всего периода наблюдений. Однако, значительная часть влаги оставалась недоступной растениям. Почва верхней и нижней части склона имела недостаточное увлажнение для благоприятного развития растений.

В 2007 году общие запасы влаги были достаточно высокими на всех участках наблюдения. Оптимальными запасами влаги в этот период обладал чернозем средней части склона. Различия в ОЗВ с другими элементами катены составляли 45-50 мм. В то же время общие запасы влаги уменьшались вплоть до самого сентября на всех элементах склона.

Под воздействием увлажнения и иссушения почвенной толщи в течение вегетационного периода менялась теплоемкость генетических горизонтов.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Как было отмечено выше, отсутствие осадков и высокая температура воздуха в июне 2006 г. привели к иссушению горизонта А и, как следствие, к уменьшению его теплоёмкости. При этом процесс снижения объёмной теплоёмкости проходил интенсивнее в верхней части склона.

Отрицательная (вогнутая) форма поверхности средней части склона способствовала сохранению влажности. При этом теплоемкость здесь достигла 3,2·106 Дж/(м3·К). Амплитуда изменений теплоемкости верхней и нижней частей склона незначительна и составила 0,19·106 Дж/(м3·К). В сентябре теплоёмкость горизонта А нижней части склона вновь выросла вследствие внутрипочвенного передвижения влаги.

Следует отметить, что изменения теплоемкости за вегетационный период 2006 года совпадают с колебаниями влажности.

Аналогичная тенденция сохранялась и в 2007 году. Теплоемкость пахотного горизонта достаточно высокая на всех исследуемых вариантах. Различие в теплоемкостях между верхней и нижней частью склона составило 9 %. Значения её в течение всего вегетационного периода уменьшались на всех вариантах. При этом амплитуда изменений теплоемкости на исследуемых вариантах составила не более 0,4·106 Дж/(м3·К).

Значение температуропроводности в генетических горизонтах чернозема выщелоченного на различных элементах рельефа распределились следующим образом: в мае 2006 года наименьшее значение температуропроводности отмечалось в гор. А в нижней части склона и было равно 0,30·10-6 м2/с, максимум температуропроводности наблюдался в верхней части склона в том же горизонте и достиг 0,65·10-6 м2/с. Тем не менее значения этого показателя постепенно уменьшались в течение вегетации. В 2007 году на исследуемом участке, засеянном зерносмесью, характер изменения скорости теплопереноса не изменился. Минимум температуропроводности отмечался в нижней части склона во второй декаде мая и был равен 0,23·10-6 м2/с. Максимальное значение температуропроводности фиксировалось в верхней части склона в середине июня и составляло 0,64·10-6 м2/с.

Динамика изменения коэффициента теплопереноса на исследуемых вариантах аналогична изменению объёмной теплоемкости. В пахотном горизонте теплопроводность в середине склона превышала её значения в нижней и верхней его частях. Различия между вариантами составили 0,6 Вт/(м·К) и сохранялись в течение всего вегетационного периода. В нижележащих горизонтах разница между теплопроводностью почвы на элементах склона сохранялась.

Формирование температурного режима почвы подчиняется макроклиматической ритмичности и особенностям макро-, мезо - и микрорельефа. При проведении исследований температурного режима почвенного профиля на разных элементах склона нами определялись влажность, плотность и температура на глубине от 0 до 100 см в течение вегетации. Полученные данные позволяют утверждать, что суточное изменение температуры носит синусоидальный характер, как на поверхности, так и на глубине 20 см на всех исследуемых вариантах. Максимальные суточные колебания температуры наблюдаются на поверхности почвы по всему склону. Кроме этого, с увеличением глубины происходит смещение максимумов суточных колебаний температур, и уменьшаются их амплитуды. Результаты расчетов определения сумм суточных температур в метровом слое чернозема представлены на рис. 1 .

Приведенные данные позволяют утверждать, что в почвенном профиле формируются достаточно высокие суммы температур по всем элементам склона в течение 2006 г. Верхняя его часть аккумулирует наибольшую сумму температур в июне. В нижней части склона сумма температур достигала 949,7 ◦С. Различие между суммами температур на вершине склона и его нижней части составило 98 ◦С. К середине июля сумма температур чернозема в средней части склона увеличилась. В августе сумма температур почвенной толщи по всему склону уменьшилась. В нижней части склона это изменения были более существенными (885 ◦С).

2006 г

2007 г

Рис. 1. Сумма суточных температур в слое 0-100 см на различных элементах склона в 2гг.

Температурный профиль всех элементов склона в 2007 г наиболее ярко выражен. Более отчетливые колебания сумм температур почвы фиксировалась в конце июня, когда среднесуточная температура воздуха составляла 21-23 ◦С. Яркая и солнечная погода способствовала прогреванию почвенного профиля по всему склону. При этом сумма суточных температур почвенного профиля в верхней части склона составляла 1063,7 ◦С, а в нижней его части − 953,2 ◦С. К июлю сумма суточных температур чернозема возрастала на 74 ◦С в средней части склона и на 77 ◦С − в нижней. Баланс почвенных температур на всех элементах склона оставался достаточно высоким и в августе, но колебания суточных температур варьируют незначительно.

Степень прогревания почвенного профиля зависит от экспозиции склона. Результаты наблюдения за суммами температур склонов юго-западной и северо-восточной экспозиции в течение гг. показали, что различия между суммами температур на рассматриваемых вариантах в основном наблюдались в конце мая и в начале июня 2006 года и не превышали 8 ◦С. Однако, уже к концу июля сумма температур склона северо-восточной экспозиции становится больше, чем на противоположном склоне. В сентябре 2006 года различия оказались равны 39,1 ◦С. Подобная закономерность сохранялась и в 2007 году, причем почвенный профиль в этом случае прогревался сильнее. Так, в мае и июне различия между суммами температур, рассматриваемых склонов достигали 8-13 ◦С. К началу июля эта разница уменьшалась до 2 ◦С, а уже в сентябре сумма температур склона северо-восточной экспозиции превышала сумму температур почвенного профиля противоположного склона на 23 ◦С.

Наблюдения за температурой чернозема в метровом слое позволили создать модели температурных полей (рис. 2).

Рис. 2 Температурное поле чернозема в верхней части склона

А - за период с мая 2005 г по март 2006 г;

В - за период с мая 2006 г по март 2007 г.

Анализ температурного поля показал, что на глубине 0-10 см распределение температуры имеет вероятностный характер, так как для этой глубины характерна периодичность влияния метеорологических факторов. Характер теплового поля определяется, прежде всего, температурным напором ΔТ=Тн-Тв, где Тн – температура поверхности почвы, Тв – температура почвы на метровой глубине.

При увеличении глубины распределение становится более упорядоченным. Температурный профиль постепенно формируется и преобразовывается в семейство парабол. Следовательно, возбуждаемые тепловые волны в поверхностном слое почвы при колебании суточных и годовых температур можно считать гармоническими. В действительности тепловая волна не гармонична. Однако это малосущественно. Дело в том, что любое периодическое колебание можно представить в виде наложения гармонических колебаний кратных периодов. Колебание температуры почвы начинает возбуждаться на её поверхности и передается внутрь. При этом они затухают, т. е. их амплитуда постепенно уменьшается с глубиной (рис. 3).

На поверхности чернозема амплитуда температурной волны максимальна, а на глубине 100 см она уменьшается вдвое. Расстояние между двумя точками параболы с одинаковой амплитудой при увеличении глубины возрастает и на глубине около 1 м достигает 0,5 года. Одновременно с увеличением глубины происходил сдвиг фаз (вершин парабол).

Т, ◦С

глубина

Рис. 3. Годовые колебания температуры чернозема на различных глубинах

Использование информационно-логического анализа позволило нам рассчитать долю влияния на коэффициент теплоаккумуляции чернозёма (объёмной теплоёмкости) различных факторов: плотности, влажности, экспозиции, крутизны, формы поверхности и элементов склона (рис. 4).

Рис. 4. Степень влияния различных факторов на коэффициент теплоаккумуляции

На основании этого предложена информационно-логическая модель:

где С − прогнозируемый ранг объёмной теплоёмкости чернозема; П − ранг теплоёмкости чернозема по плотности; В − ранг теплоёмкости чернозема по влажности почвы; Э − ранг теплоемкости чернозема по экспозиции склона; Кс − ранг теплоемкости чернозема по крутизне склона; Ф − ранг теплоемкости чернозема по форме поверхности склона; Ч − ранг теплоемкости чернозема по частям склона; − знак операции логической функции нелинейного произведения. Модель позволяет прогнозировать величину теплоемкости в зависимости от состояния различных факторов.

Урожайность сельскохозяйственных культур, по нашим данным, зависит от влажности, теплофизических коэффициентов и температурного режима.

Использование информационно-логического анализа позволяет также выявить влияние параметров гидротермического режима и теплофизических характеристик на урожайность однолетних трав согласно модели

У = ЗВ (λ (∑ Т t))

где У − ранг урожайности, ЗВ − влагосодержание почвы слоем 0-50 см.; λ − теплопроводность почвы; ∑ Т − сумма температур слоя почвы 0-50 см; t − температура поверхности почвы; − знак операции логической функции нелинейного произведения.

Так зависимость урожайности от запасов влаги в 50-ти см слое в период кущения носит криволинейный характер. Интенсивность иссушения и переувлажнения чернозема приводит к снижению зеленой массы.

Вторую позицию занимает теплопроводность чернозема. Слабее влияет на урожайность трав сумма температур в слое 0-50 см и температура поверхности почвы. При этом доля влияния почвенного влагосодержания составляет 33 %, теплопроводности − 25 %, суммы температур в слое 0-50 см − 17 %, температуры поверхности почвы − 12 %.

ВЫВОДЫ

1. Пахотные угодья района исследований расположены на склонах различной экспозиции с крутизной от 3 до 7°. Они представлены черноземами выщелоченными малогумусными среднесуглинистыми. Плотность верхнего 20-ти см слоя за вегетацию меняется от 1,1 до 1,3 г/см3 и с глубиной увеличивается до 1,4 г/см3. Общая порозность почвенного профиля высокая (57–47 %), а наименьшая влагоемкость составляет 31,4-20,0 %.

2. Значения коэффициентов объемной теплоемкости и теплопроводности при разных гидроконстантах с глубиной увеличиваются на всех элементах катены в пределах 33 %, в то время как температуропроводность уменьшается на 23 %. Увлажнение чернозема приводит к линейному росту объемной теплоемкости в 1,5 - 2 раза, а величины теплопроводности по закону «насыщения» в 1,3 раза.

3. Естественная влажность чернозема в течение вегетации под сельскохозяйственными культурами, как правило, снижается, особенно в иллювиальном горизонте. В гумусово-аккумулятивном слое влагосодержание более динамично и в большей степени подвержено влиянию атмосферных осадков.

Распределение влаги в почвенном профиле по элементам склона различно. Наиболее увлажненными являются средние и нижние части склона, как в пахотном, так и подпахотном горизонтах.

4. Динамика почвенного увлажнения в течение теплого времени года обусловливает постепенное снижение теплоемкости и теплопроводности на фоне увеличения температуропроводности, особенно в иллювиальном горизонте. Наиболее значительны колебания этих величин в верхнем 20-ти см слое на всех элементах катены.

5. Формирование температурного режима почвы подчинено суточному ритму и особенностям макро - и мезорельефа. Наибольшие суточные изменения температуры наблюдаются на поверхности почвы по всему склону, но температура на его вершине на 4-5 °С выше, чем в транзитно-аккумулятивной зоне. При этом её максимум в верхней части склона наступает между 16 и 17 часами дня, а в нижней части склона на час позднее.

6. Степень прогревания профиля чернозема зависит от экспозиции склона. Разность температур пахотного слоя составляет от 3 до 7 °С. При этом в первой половине вегетационного периода (с мая по июль) теплее оказывается склон юго-западной экспозиции, во второй (с середины июля по сентябрь) − северо-восточный склон.

7. Величины теплоаккумуляции чернозема выщелоченного в большей степени зависят от его плотности (коэффициент связи К = 0,3045), в меньшей степени от влажности (0,2506), экспозиции склона (0,1965), его крутизны (0,0880), формы поверхности (0,0628) и элементов склона (0,0294).Установленные связи позволили разработать информационно-логическую модель влияния указанных факторов на коэффициенты теплоаккумуляции:

где С − прогнозируемый ранг объёмной теплоёмкости, П, В, Э, Кс, Ф, Ч − ранги теплоёмкости чернозема по плотности, влажности, экспозиции склона, его крутизне, по форме поверхности, частям склона; − знак операции логической функции нелинейного произведения.

8. Существенное влияние на урожайность возделываемых культур оказывают почвенно-физические факторы. Доля влияния влагосодержания почвы составляет 33 %, теплопроводности − 25 %, суммы температур в слое 0-50 см − 17 %, температуры поверхности почвы − 12 %.

Теплофизические свойства и гидротермический режим черноземов выщелоченных на склонах высокого Алтайского Приобья (стр. 3 )

ВЫВОДЫ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

Домашний очаг

Справочная информация

Техника

Общество

Образование и наука

Мир

Бизнес и финансы