Тепловые свойства почвы
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра земледелия и технологии производства продукции растениеводства.
Реферат.
На тему: «Тепловые свойства почвы»
Оренбург 2013 г.
Содержание:
ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА В ПОЧВЕ…………………………………3 СТР.
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ………………………………4 СТР.
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОЧВЫ……………………………………10 СТР.
ТИПЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОЧВ………………....15 стр.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА……………………16 стр.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………
Список Литературы…………………………………
2
ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА В ПОЧВЕ
Главным источником тепла, поступающего в почву, является лучистая энергия Солнца (солнечная радиация). Небольшое количество тепла почва получает из глубинных слоев Земли и за счет химических, биологических и радиоактивных процессов, протекающих в верхних слоях литосферы. Тепло, образующееся при разложении органических веществ (навоза, растительных остатков и др.), широко используют в овощеводстве закрытого грунта.
Часть поступающей к поверхности почвы лучистой солнечной энергии поглощается почвой и, преобразуясь в тепло, нагревает почву; часть отражается поверхностью почвы и напочвенным покровом. Почва отдает тепло в атмосферу, если температура ее поверхности выше, чем температура приземного слоя воздуха.
В зависимости от
соотношения количества поглощенной
поверхностью почвы лучистой энергии
и излучения почвой тепла в
атмосферу почвенная
Кроме основного источника лучистой энергии, в почву поступает тепло,
выделяемое при экзотермических, физико-химических и биохимических реакциях.
Однако тепло, получаемое в результате биологических и фотохимических
процессов, почти не изменяет температуру почвы. В летнее время сухая
3
нагретая почва может повышать температуру вследствие смачивания. Эта теплота известна названием теплоты смачивания. Она
проявляется при слабом смачивании почв, богатых органическими и
минеральными (глинистыми) коллоидами.
Весьма
незначительное нагревание
Из
других второстепенных
теплоту» фазовых превращений, освобождающуюся в процессе кристаллизации, конденсации и замерзании воды и т. д.
В зависимости от механического состава, содержания перегноя, окраски и
увлажнения различают теплые и холодные почвы.
Теплоемкость определяется количеством тепла в калориях, которое
необходимо затратить, чтобы поднять температуру единицы массы (1г) или объема (1 см3) почвы на 1оС.
Из таблицы видно, что с увели чением влажности теплоемкость меньше
возрастает у песков, больше у глины и еще больше у торфа. Поэтому торф и глина являются холодными почвами, а песчаные – теплыми.
| |Содержание воды (% от пористости) |
|Механический|
|состав почв |
|Глина……………. |0,24|0,36|0,42|0,47|0,59|0,
|Торф…………….. |0,15|0,3 |0,37|0,45|0,6 |0,68|0,75|0,91|
4
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
Теплопоглотительная
способность — способность
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
Из этих данных видно,
что вода – наиболее теплоемкий
компонент почвы по сравнению
с минеральными и органическими
ее частями. Поэтому для повышения
температуры влажной 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
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
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
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 –
конденсацией.
Источники
поступающего в почву тепла
и расходования его –
Тепловой
баланс почвы поддается
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
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.
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОЧВЫ
Совокупность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла называют тепловым режимом почвы. Основным показателем теплового режима почвы, который характеризует ее тепловое состояние, является температура генетических горизонтов почвенного профиля.
Поскольку приток лучистой
солнечной энергии связан с его
суточными и годовыми ритмами, то
и для температуры почвы
Суточный ход температуры. Днем поверхность почвы нагревается и максимальная ее температура наблюдается около 13 ч. Затем происходит постепенное охлаждение почвенной поверхности, и минимум ее температуры отмечается перед восходом солнца. По мере нагревания поверхности почвы
10
происходит передача тепла и в более глубокие слои. При этом наиболее быстро изменяется температура на поверхности почвы. С глубиной скорость этих изменений заметно уменьшается в связи со слабой теплопроводностью почвы. Поэтому максимум и минимум суточных температур на разных глубинах профиля почвы наступают в разное время, в среднем отмечено запаздывание на 2-3 ч на каждые 10 см глубины профиля.
Наибольшие суточные
колебания температуры
Годовой ход температуры.
Годовой ход температуры имеет
два периода: летний — период нагревания
почвы с потоком тепла от верхних
горизонтов к нижним и зимний —
период охлаждения почвы с потоком
тепла от нижних слоев профиля
к верхним. Амплитуды колебаний
температуры почвы между этими
периодами определяются условиями
атмосферного климата и свойствами
почв. В умеренных широтах максимум
среднесуточной температуры почвы
наблюдается обычно в июле — августе,
а минимум — в январе — феврале.
Летом самая высокая
11
На годовые изменения
температуры почвы большое
В регионах со снежными и холодными зимами сильное влияние на температурный режим оказывают промерзание, оттаивание почвы, мощность и продолжительность снежного покрова.
Почва начинает промерзать при температуре несколько ниже 0 °С, поскольку в почвенном растворе содержатся растворимые вещества, понижающие температуру замерзания. На замерзание почвы влияют снежный и растительный покровы, рельеф местности, свойства почвы, ее влажность, а также хозяйственная деятельность человека.
Снежный покров предохраняет
почву от промерзания: чем он меньше,
рыхлее и длительнее сохраняется, тем
больше утепляет почву и снижает
глубину ее промерзания. Сохранение
и накопление снега имеет большое
значение в предохранении от вымерзания
посевов озимых, многолетних трав
и посадок плодово-ягодных
Растительный покров, задерживая и накапливая снег, ослабляет промерзание почвы.
Рельеф влияет на накопление снега и увлажнение почвы. Поэтому наибольшую глубину промерзания почвы наблюдают на выпуклых формах рельефа и наветренных склонах, где сдувается снег. Накопление снега в понижениях (лощинах, западинах) способствует меньшему промерзанию почвы. Глубже промерзают склоны северной экспозиции, а на меньшую глубину — южной. Чем влажнее почва, тем меньше она промерзает. При промерзании почвы идет подток парообразной и жидкой влаги к фронту
12
промерзания.
Замерзание почвы
начинается до или после
Влияние деятельности
человека на промерзание почвы связано
с применением растительного
покрова (вырубка или посадка
древесно-кустарниковой
Оттаивание почв
происходит двумя способами. В первом
оттаивание идет снизу и заканчивается
до схода снега. При этом мерзлая
прослойка исчезнет у поверхности
почвы; талая вода в этом случае лучше
проникает в почву. Во втором оттаивание
начинается снизу, а затем одновременно
и сверху, и снизу. В этот период
мерзлая прослойка почвы
Для оценки теплообеспеченности
почв как важной обобщающей характеристики
их температурного режима используют
сумму активных температур (>10 °С)
в почве на глубине 20 см. Здесь
расположена главная масса
13
Сумма активных температур почвы на глубине 0,2м,°С |
Теппообеспеченность почв |
0–400 |
Низкая |
400–800 |
Весьма слабая |
800–1200 |
Слабая |
1200–1600 |
Нижесредней |
1600–2100 |
Средняя |
2100–2700 |
Выше средней |
2700–3400 |
Хорошая |
3400–4400 |
Весьма хорошая |
4400–5600 |
Высокая |
5600–7200 |
Весьма высокая
14 |
Теплообеспеченность почв основных зон страны снижается с запада на восток. В земледельческих районах таежно-лесной зоны она колеблется от ниже средней (Западная и Средняя Сибирь) до вышесредней (Приморье), в лесостепной – от ниже средней до хорошей, в степной – от средней (Восточная Сибирь) до весьма хорошей (Предкавказье), в зоне сухой степи – от хорошей до весьма хорошей. Наилучшая теплообеспеченность у почв сухих и влажных субтропиков.
Для оценки температурного
состояния почв и возможности
выращивания культур, различных
по требовательности к теплу, важное
значение имеют также показатели
суровости зимних почвенных условий.
Такими показателями являются сумма
отрицательных температур на глубине
20 см и средний из абсолютных минимумов
температур на поверхности почвы. По
этим показателям выделяют почвы: теплые,
умеренно теплые, умеренные, умеренно
холодные, холодные, мерзлотные и длительно
сезоннопромерзающие. Учет показателей
теплообеспеченности и
ТИПЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОЧВ
В зависимости от среднегодовой температуры и длительности промерзания почвы выделяют 4 типа температурного режима почв (по В. Н.Димо): мерзлотный, длительно сезоннопромерзающий, сезоннопромерзающий и непромерзающий. Мерзлотный тип температурного режима характерен для местностей, где среднегодовая температура профиля почвы имеет
15
отрицательный показатель (ряд провинций полярной и Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной областей). В таких почвах преобладает процесс охлаждения, сопровождающийся промерзанием почвенной влаги до верхней границы многолетнемерзлых пород.
Длительно сезоннопромерзающий
тип температурного режима проявляется
на территориях, где преобладает
положительная среднегодовая
Сезоннопромерзающий
тип температурного режима отличается
положительной среднегодовой
Непромерзающий тип температурного режима имеют территории, где промерзание профиля почв и морозность не проявляются. К ним относятся теплая южноевропейская фация и зоны субтропического пояса.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА
В сельскохозяйственной
практике регулирование теплового
режима имеет важное значение для
обеспечения оптимальных
Улучшение теплового режима почв основывается на осуществлении приемов, регулирующих приток тепла солнечной радиации и ослабляющих или повышающих его потери за счет теплоотдачи в атмосферу.
16
В северных районах с повышенным увлажнением почв и меньшим притоком солнечной радиации эти мероприятия преследуют повышение температуры почвы в летний период, в южных засушливых — понижение ее температуры.
К приемам, регулирующим приток солнечного тепла к поверхности почвы, относят затенение почвы растительностью, мульчой, некоторые способы обработки почвы (рыхление и прикатывание поверхности почвы), гребневые и грядовые посевы.
Растительный покров, затеняя поверхность почвы, ослабляет приток к ней солнечного тепла и способствует понижению температуры почвы. Поэтому в жарких районах некоторые культуры (табак, кофе) возделывают под пологом древесных пород. Для этих целей применяют также создание кулис из высокостебельных растений и устройство легких навесов. Лесные полосы в летнее время понижают температуру почвы не только в самой полосе, но и в межполосном пространстве, что способствует большей устойчивости посевов против суховеев.
Мульчирование поверхности
почвы торфом, соломой, мульчбумагой
и другими материалами широко
применяют для регулирования
температуры почвы, особенно в овощеводстве.
Применение светлоокрашенной мульчи увеличивает
альбедо и ослабляет
Обработка почвы и рыхление поверхностного слоя способствуют более быстрому обмену тепла в почве. Шероховатая поверхность обработанной почвы днем больше поглощает солнечной энергии, а ночью больше излучает
17
тепла по сравнению с плотной поверхностью.
Рыхление почвы уменьшает ее теплопроводность и увеличивает лучеиспускательную способность. Поэтому такой прием снижает температуру почвы днем и способствует сохранению тепла в ночные часы.
В Нечерноземной зоне в овощеводстве для более быстрого прогревания верхнего слоя почвы применяют гребневые и грядовые посевы.
Полив — эффективный
прием регулирования
Эффективными приемами
регулирования теплового режима
почв в холодное время являются снежные
мелиорации. Снегозадержание одновременно
и важный прием накопления влаги
в почве. Его широко применяют
в засушливых и континентальных
районах, где снежный покров обычно
невелик, а сильные морозы могут
значительно повредить посевы полевых
и посадки плодово-ягодных
При небольшом снежном покрове температура почвы на глубине залегания узла кущения озимых (около 3 см) может достигать критических величин и вызвать повреждение или гибель растений. Накопление снега резко снижает отрицательные температуры в почве и глубину их проникновения.
Приемы регулирования теплового режима должны осуществляться с учетом почвенно-климатических и погодных условий и особенностей возделываемых растений. В овощеводстве для улучшения температурного режима почв применяют биотопливо (навоз, компосты и др.), электрический,
18
паровой и водяной обогревы. При паровом и водяном обогревах в теплицах под слоем культурной почвы на глубине 40-70 см прокладывают трубы, по которым подают горячую воду или пар.
Важным показателем теплового режима
почвы служит средняя температура почвы
в теплый период года на глубине 20 см под
естественным покровом. В холодный период
года важным показателем является температура
почвы на глубине залегания узла кущения
озимой пшеницы.
Количественной характеристикой теплового
режима является тепловой баланс почвы.
Уравнение теплового баланса почвы представляет
алгебраическое равенство различных потоков:
Тб + Тк + Тт + ТП = 0,
где Тб - радиационный баланс; Тк - турбулентный
поток тепла, связанный с теплообменом
между поверхностью почвы и воздухом;
Тт - тепло, затрачиваемое на транспирацию
влаги и ее физическое испарение; Тп - теплообмен
между слоями почвы, или тепловой поток
с одних глубин почвы к другим.
Кроме постоянных статей теплового баланса
на температуру почвы влияет температура
выпадающих осадков. Большой удельный
вес в тепловом балансе принадлежит теплу,
расходуемому на суммарное испарение
(до 80 %)
Значения составляющих теплового баланса
зависят от географического положения
места, времени года и суток, метеорологических
условий, типа почвы, рельефа, растительности
и т. д.
19
Знание тепловых свойств почвы, ее теплового баланса и отдельных его составляющих позволяет использовать различные агротехнические приемы, существенно влияющие на тепловой режим почвы.
Все приемы активного
влияния на тепловой режим почв делятся
на агротехнические, агромелиоративные
и агрометеорологические.
Агротехнические приемы наиболее доступны
для активного воздействия на тепловой
баланс почвы. Создание гребнистой поверхности
способствует лучшему прогреванию почвы.
Температура почвы на гребнистой поверхности
на 3 - 5 °С выше, чем на ровных участках.
На тепловой режим почвы существенно влияет
глубина основной и поверхностной обработки.
При вспашке или культивации происходит
нарушение однородности почвы по глубине
- изменяется плотность, общая пористость
и пористость аэрации. Это приводит к снижению
теплопроводности и изменению теплоемкости
почвы. Разность в температуре нагрева
почвы с различной мощностью пахотного
горизонта будет пропорциональна глубине
обработки.