Разработка агротехнических мероприятий и технических средств для регулирования температурного режима почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка агротехнических мероприятий и технических средств для регулирования температурного режима почвы

Карданов К.Х., Шекихачев Ю.А., Батыров В.И.

Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова

Аннотация

Системный анализ проблемы повышения плодородия почвы и развития различных деградационных процессов показывает, что устойчивость почвенного покрова определяется населяющими ее животными, микробами, растительностью, а также климатическими условиями местности.

Анализируя проблемы снижения эрозионных процессов в агропромышленном комплексе в контексте экологизации сельскохозяйственного производства и решая эти проблемы применительно к почвенно-климатическим условиям его ведения, подбирая и разрабатывая комплекс машин и рабочих органов, позволяющих осуществлять уход за почвой с наименьшим ущербом для нее, можно предотвратить значительные потери гумуса, сохранить структуру почвы и в конечном счете получать стабильно высокие урожаи сельскохозяйственных культур.

Одним из путей решения проблем снижения эрозионных процессов в агропромышленном комплексе и повышения плодородия почв является разработка агрофизических и агрометеорологических основ управления микроклиматом почвенного покрова.

Исходя из этого, в данной статье теоретически исследовано влияние различных агротехнических мероприятий на процесс промерзания поверхности почвы.

Теоретические зависимости и результаты, изложенные в данной статье, могут быть использованы при разработке агротехнических мероприятий и технических средств для регулирования температурного режима почвы в целях повышения ее плодородия и получения стабильно высоких урожаев сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: почва, плодородие, урожайность, температура, промерзание, регулирование

Исследованию температурного режима почвы, покрытой снегом, посвящен ряд работ [1-9]. В этих работах предлагаются различные численные модели, в которых приводится расчет глубины, на которую промерзает почва. При этом учитываются сезонный и суточный ход температуры над поверхностью почвы. В этих моделях предполагается, что снежный покров находится в непосредственном контакте с почвенной поверхностью.

Кроме того, анализируется роль остатков растений в процессе регулирования температурного режима почвы.

На основании анализа существующих исследований по данной проблеме можно отметить, что она рассматривается при определенных допущениях и упрощениях, при которых не учитываются некоторые, якобы «не основные», факторы, оказывающие, тем не менее, довольно ощутимое влияние на исследуемый процесс.

Основными факторами, влияющими на температурный режим почвы, находящейся под снежным слоем, являются: температура и влажность окружающего воздуха, скорость ветра, мощность снежного покрова, наличие на поверхности снежного покрова ледяной корки и слоя остатков растений между снежным покровом и поверхностью почвы, экспозиция и крутизна склона, время суток и др.

В частности, ледяная корка заметно влияет на температурный и влажностный режим почвы, в том числе и на глубину промерзания последней.

Это влияние проявляется по-разному:

- ледяная корка усиливает парниковый эффект;

- благодаря растительным остаткам между слоем снега и поверхностью почвы образуется воздушная прослойка, которая как раз и создает упомянутый выше парниковый эффект, препятствует оттоку тепла из глубин почвы в снежный покров и далее через ледяную корку, которая также замедляет данный поток, в окружающую среду, что способствует замедлению процесса промерзания почвы;

- остатки растений благодаря своей гигроскопичности впитывают влагу, что равносильно конденсации пара на поверхности растений; при этом, как известно, происходит выделение скрытой теплоты конденсации, способствующее замедлению процесса промерзания почвы;

- с течением времени растительные остатки разлагаются; при этом также происходит выделение определенного количества тепла, благотворно влияющего на температурный режим почвы;

- остатки растений и ледяная корка оказывают стабилизирующее влияние на воздушную прослойку между слоем снега и поверхностью почвы, не дают развиваться конвективному движению воздуха, что существенно замедляет процесс теплообмена между снегом и почвой. Как следствие - глубина промерзания почвы уменьшается.

Учет изложенных выше обстоятельств позволит составить корректную математическую модель процесса промерзания почвы с мульчированной поверхностью, находящейся под слоем снега, покрытого ледяной коркой.

Задача промерзания почвы является одной из разновидностей задач Стефана, в которых неизвестным является не только температурное поле в соприкасающихся зонах, но и закон промерзания почвы под снежным покровом [10]. Математически постановка задачи сводится к следующему. В каждой из зон составляется уравнение теплообмена в виде:

граничное условие:

граничное условие:

граничное условие:

граничное условие:

где: - температура; и - коэффициенты теплопроводности и объемной теплоемкости; - индексы, обозначающие, соответственно, лед, снег, растительность, мерзлую почву; - параметры, учитывающие возможность поглощения солнечной радиации внутри ледяной корки, снежного покрова, слоя растений и мерзлой почвы; , соответственно - толщины ледяной корки, снежного покрова, слоя растений и промерзшей части почвы; - глубина затухания температурных колебаний.

Bремя установления равновесного температурного поля в ледяной корке можно определить по выражению:

где - плотность льда, г/см³.

Аналогично можно определить время установления равновесного температурного поля в снежном покрове:

где - плотность снега, г/см³.

Благодаря наличию остатков растений на поверхности почвы создается воздушная прослойка. При этом процессы тепло- и массопереноса в данной зоне существенно зависят от густоты растительности, подвергнутой мульчированию. Здесь важно обеспечить максимальную равномерность распределения слоя остатков растений по поверхности почвы для того, чтобы не образовались «плешины», в которых будет происходить непосредственный контакт снежного покрова с почвой, что приведет, естественно, к увеличению глубины промерзания последней.

В случае, когда поверхность почвы покрыта достаточно густым слоем мульчирующего материала (растительности), конвективные процессы будут затруднены, поэтому конвекцию можно не учитывать. Тогда время установления стационарного температурного поля в мульчирующем слое можно определить по формуле:

где - плотность растительности, г/см³.

Если учесть, что коэффициент температуропроводности почвы - такого же порядка, что и для влажного снега, то можно сделать вывод о том, что в промерзшей почве тоже установится квазистационарное температурное поле. Исходя из этого, следует заключить, что к задаче о промерзании почвы может быть применен квазистационарный метод, разработанный академиком Лейбензоном [11].

Учитывая, что целью настоящих расчетов является выявление роли ледяной корки и слоя остатков растений на процесс промерзания почвы, можно в дальнейшем упростить задачу, предполагая, что температура в незамерзшей части почвы всегда остается равной нулю. Такое предположение существенно не влияет на результаты расчетов.

Обычно распределение температуры в ледяной корке и снежном покрове нам неизвестно. Данное распределение зависит от многих факторов. Однако с течением времени температурное поле в глубине почвы постепенно стремится к стандартному распределению, при котором поток тепла из недр Земли на ее поверхность остается постоянным и, в зависимости от местности, колеблется в пределах 1-2 кал/(см²с).

С учетом изложенного выше получим:

,

где - скрытая теплота сублимации пара; - удельное содержание воды в почве.

В случае отсутствия ледяной корки и слоя остатков растений получим из выражения (8), что:

.

При отсутствии еще и снежного покрова выражение (9) принимает вид известной формулы о законе промерзания почвы, когда на ее поверхности поддерживается минусовая температура:

.

Таким образом, получены теоретические зависимости, отражающие влияние ледяной корки на снежной поверхности и слоя остатков растений между снегом и почвой на процесс промерзания последней.

Для выявления характера влияния слоя остатков растений и ледяной корки на снежной поверхности на изменение температуры почвы на поверхности и глубине 30 см нами проведены исследования в ОАО «Племсовхоз «Кенже» КБР. Исследовались два варианта:

1 - вариант: оголенная почва;

2 - вариант: почва с остатками растений на поверхности и с созданием в зимний период на снежной поверхности ледяной корки, которая «армирована» ледяными конусами.

Результаты исследований (табл. 1, рис. 2) свидетельствуют о том, что температура поверхности почвы в 1 варианте в январе выше температуры воздуха в среднем на 3-4 ^оС, причем данная разница сглаживается примерно до 1^оС с марта до конца мая. В начале июня температура почвенной поверхности снова становится выше температуры воздуха, и данное превышение максимально в июле (6-7 ^оС). После этого происходит постепенное снижение температуры почвенной поверхности, и она сравнивается с температурой воздуха в начале сентября. В сентябре-октябре температура почвенной поверхности на 0,5-1 ^оС ниже температуры приземного воздуха. С начала ноября температура почвенной поверхности снова превышает температуру приземного воздуха.

Таблица 1. Изменение температуры в 1 варианте

Рис. 1. Ход температуры в 1 варианте

Что касается температуры почвы на глубине 30 см, в этом случае имеет место иная закономерность. В январе температура почвы на глубине 30 см на 4-5 ^оС выше температуры приземного воздуха, и на 1-2 ^оС выше температуры почвенной поверхности. С января по апрель данная температура становится близкой к температуре почвенной поверхности и приземного воздуха. Однако, в отличие от температуры почвенной поверхности, температура почвы на глубине 30 см практически сравнима с температурой приземного воздуха с середины апреля до середины мая.

Температура почвы на глубине 30 см с конца мая становится немного ниже температуры приземного воздуха (на 0,5-2 ^оС), и данная разница максимальна в июле. После этого температура приземного воздуха и температура почвы на глубине 30 см становятся одинаковыми. С начала сентября температура почвы на глубине 30 см постепенно превышает температуру приземного воздуха. В декабре превышение температуры почвы на глубине 30 см над температурой приземного воздуха составляет 4-5 ^оС. Данная температура превышает температуру поверхности почвы на 1-2 ^оС.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что температура оголенной почвы характеризуется резкими перепадами в течение всего года. Кроме того, в среднем температура поверхности оголенной почвы зачастую несколько выше температуры приземного воздуха. Данное обстоятельство способствует тому, что почва интенсивно иссушается. Такой эффект максимален в июле.

Результаты исследований, которые получены во 2 варианте, приведены в таблице 2 и на рис. 2. Они свидетельствуют о том, что оставление на почвенной поверхности остатков растений и формирование на поверхности снега ледяной корки, которая при этом «армирована» ледяными конусами, позволяют сгладить годовой ход температуры поверхности почвы и температуры почвы на глубине 30 см.

Таблица 2. Изменение температуры во 2 варианте

Рис. 2. Ход температуры во 2 варианте

Следует подчеркнуть, что во 2 варианте температура поверхности почвы в летние месяцы не превышает температуры приземного воздуха. Данное обстоятельство позволяет эффективнее сохранять почвенную влагу.

Разница исследуемых температур достигает максимума в июле: температура почвы на глубине 30 см ниже температуры приземного воздуха и поверхности почвы, соответственно, на 4-5 ^оС и 2-3 ^оС. Температура почвенной поверхности при этом на 2-3 ^оС ниже температуры приземного воздуха. Зимой температура почвенной поверхности, которая покрыта слоем остатков растений и снега с ледяной коркой, и температура почвы на глубине 30 см выше на 3-4 ^оС, чем в 1 варианте: в декабре температура приземного воздуха в среднем составляет -6^оС, поверхности почвы - 1^оС, почвы на глубине 30 см - 3^оС. В 1 варианте были следующие результаты: -6; -2; -1 ^оС.

В январе получены такие результаты:

- в 1 варианте: -7; -3; 0 ^оС;

- во 2 варианте: -7; 0; 1 ^оС.

Необходимо отметить, что температура почвы на глубине 30 см постоянно была выше 0^оС. Это свидетельствует о том, что во 2 варианте практически исключается промерзание почвы.

Результаты исследования глубины промерзания (рис. 3) свидетельствуют о том, что во 2 варианте по сравнению с 1 вариантом температурный режим почвы на полотне террас лучше.

Таким образом, проведенные исследования показали, что оставление на почвенной поверхности остатков растений и формирование на поверхности снега ледяной корки, которая при этом «армирована» ледяными конусами, позволяет исключить проникновение отрицательных температур вглубь почвы. В результате моделирования процесса промерзания поверхности почвы получены теоретические зависимости, которые могут быть использованы при разработке агротехнических мероприятий и средств механизации, позволяющих регулировать температурный режим почвы.

Рис. 3. Изменение глубины промерзания почвы

почва агропромышленный сельскохозяйственный плодородие

Список использованных источников

1. Балобанов В.Т. Методы расчетов глубины протаивания и температуры мерзлых пород // Мерзлота и почва. - Якутск. - 1972, вып. 1. - С. 52-62.

2. Донюшкин В.И. Террасирование склонов // Садоводство. - 1963, №1.

3. Конанев И.Д. Климатические аспекты изучения снежного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1982. - 240 с.

4. Куртенер Д.А., Романов П.Г. Агрометеорологическое обоснование сроков проведения снежных мелиораций, предназначенных для ускоренного весеннего прогревания почвы // Сб. научн. тр. по агрофизике. - Л. - 1985. - С. 65-73.

5. Куртенер Д.А., Усков И.Б. Климатические факторы и тепловой режим в открытом и защищенном грунте. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1982. - 231 с.

6. Павлов А.В. Расчет и регулирование мерзлотного режима почвы. - Новосибирск: Наука. - 1980. - 240 с.

7. Палагин Э.Г., Гутман Л.Н. О расчете температуры почвы для холодного сезона // Метеорология. - 1975, №9. - С. 92-102.

8. Палагин Э.Г. Математическое моделирование агрометеорологических условий перезимовки озимых культур. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1981. - 192 с.

9. Сидоренко О.Д. Математическое моделирование водно-теплового режима и продуктивности агроэкосистем. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1981. - 167 с.

10. Шекихачев Ю.А. Механико-технологическое обоснование технических средств для ухода за почвой террасированных склонов в условиях горного садоводства (на примере центральной части Северного Кавказа) / Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - Нальчик. - 2001. - 424 с.

11. Лейбензон Л.С. К вопросу о затвердевании земного шара из первоначального расплавленного состояния // Изв. АН СССР, серия геофизики. - 1939, №6. - С. 625-660.

Размещено на Allbest.ru