Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Тепловой режим является обязательным фактором любого процесса в природе, в частности в почве. Разнообразные агротехнические мероприятия (орошение, прикатывание, рыхление и т.д.) в определенной степени изменяют температуру и тепловой режим в целом почвы, существенно влияет на параметры его физических свойств: влажность, плотность, скважность. Данные зарубежных и отечественных исследователей относительно особенностей теплового режима почв при разных технологиях выращивания культур и, прежде всего, обработки разнообразные и несколько противоречивы [1, 2, 4, 10-12]. Так, М. К. Шикула [5] показал, что при минимальной обработки на глубину 10-12 см без мульчи температура почвы на поверхности и на глубине 5 см была ниже, чем при отвальной пахоте, а на глубине 10 см и 20 см она была выше. П. И. Тихонравова и А. В. Нестерова [3] установили, что в целом «нулевая» технология вызывает снижение температуры в пахотном слое в теплый период.

Существенное влияние на температуру почвы влияет количество растительных остатков, оставленных или внесенных на поверхность почвы. J.W. Doran [6] показал, что в зависимости от количества мульчи при «нулевой» технологии максимальная температура поверхности почвы за летние месяцы колебалась в среднем от 46,6°С до 54,6°С. По J.К. Larsen [10] минимальная температура почвы зимой при отвальной вспашке составила 24°С, тогда как в варианте с посевом непосредственно в стерню - только 8°С.

Исследование температурных параметров и теплового режима почвы проводились в условиях стационарного полевого опыта, который заложен в 1996 году на территории опытного хозяйства Донецкого института агропромышленного комплекса (Донецкая область, Ясиноватский район). Главной целью этого опыта является комплексная оценка «нулевых» технологий выращивания культур в контексте понимания (no-till) американских ученых, имеющих все основания считаться авторами и основателями этих агротехнологий. Исследования проводились в полевом севообороте на черноземе обыкновенном малогумусном тяжелосуглинистом.

Вариантами исследования были традиционная и «нулевая» технологии обработки почвы при выращивании полевых культур (представлены данные по кукурузе на зерно после озимой пшеницы и озимой пшеницы после кукурузы на силос). Проективное покрытие растительными остатками в севообороте никогда не превышало 25% даже при "нулевой технологии, что меньше норматива (30% - определение почвоохранных технологий). Кроме того, отдельными вариантами были бессменный посев кукурузы на зерно (монокультура) и микроделяночный монокультуры кукурузы при близком к 100%-го проективной покрытии мульчей из измельченных стеблей. Повторность в пространстве 3-х кратная, во времени - 4-х кратная, размер посевной участка составлял 1,7 га, учетной - 100 квадратных метров. Температура почвы под озимой пшеницей замерялась термометрами Саввинова три раза в сутки через каждые 5 см до глубины 20 см с 9 по 19 сентября в 1997 году и с конца апреля до начала июня под кукурузой в 1999 году, а также 6 июня 2000 (солнечный безоблачный жаркий день), с 7.00 до 18.00 часов. Максимальная температура поверхности почвы измерялась максимальными термометрами в последней декаде мая - первой декаде июня 1999 и 2000 годов.

С целью получения более детальной и разносторонней картины температурного режима почвы были проведены наблюдения за температурой поверхности и пахотного слоя почвы почасово на вариантах: традиционная технология, «нулевая» технология без мульчи (междурядья), «нулевая» технология без мульчи (рядок) и «нулевая» технология с мульчей. Максимальная температура поверхности почвы 6 июня 2000 оказалась близкой при «нулевой» без мульчи в строке и междурядье (№ 2, 4), а также по традиционной технологии (№ 1). Значительно ниже (на 18-19° С) была температура поверхности почвы по «нулевой» технологии с мульчей . Разница температур почвы зависит преимущественно от наличия растительных остатков и несколько меньше - от обработки почвы. Температура поверхности почвы максимального значения достигает в 15.00 часов, а на глубине 5 см - через час.

При количественной оценке условий формирования температурного режима почвы были определены (рассчитаны) параметры теплофизических свойств пахотного слоя почвы в вариантах опыта. Установленные показатели определяются в основном теплоаккумуляцей и теплопереносом в почвенной толще. Теплофизические свойства почвы, кроме прямого их определения [1], достаточно хорошо описываются с помощью моделей. Существуют два типа моделей: эмпирические и физические. Эмпирические модели температуры почвы [2] достаточно удобными при наличии данных, полученных в данной местности на данной почве. Физические же модели [8] базируются на общих принципах теплового потока в почве и меньше зависят от специфики конкретных условий.

Объемная теплоемкость почвы определяется зарубежными и отечественными исследователями идентичными формулами [2, 8]:

Cv=(0,2+W/100)Чс, (1)

где Cv - объемная теплоемкость; W - влажность; с - плотность; 0,2 -удельная теплоемкость.

Объемная теплоемкость с увеличением влажности и плотности растет линейно. Теплопроводность мы определяли по уравнению теплового потока, предложенным А. И. Гупало [2] для почв тяжелосуглинистого состава:

л=10-3 (2,1с1 ,2-0,02W-0.007 (W-20)2+с0.8-0, 0W) (0,2+W/100) с, (2)

Температуропроводнисть (K) рассчитывалась на основе зависимости:

K = л / Cv , (3)

Осенью 1997 г. после сева озимых в слое 0-10 см по «нулевой» технологии все теплофизические свойства чернозема были выше, а теплоемкость существенно больше (табл. 1). Неоспоримым является влияние влажности и плотности на теплофизические свойства. Но еще в 1959 году А. И. Гупало [2] показала, что теплоемкость возрастает при увеличении влажности и плотности, а температуропроводность и теплопроводность линейно повышаются только с увеличением плотности. Рост температуро-и теплопроводности за счет влажности происходит лишь до определенного предела, а впоследствии идет снижение.

теплофизический чернозем агротехнический

Табл. 1. Теплофизические показатели чернозема обыкновенного при различных технологиях обработки почвы после посева озимой пшеницы .

Пик температуропроводности А. И. Гупало [2] определяет так: «коэффициент температуропроводности увеличивается с увеличением влажности и достигает максимума при таких величинах, когда пленочно-менисковый механизм переходит в капиллярный, что соответствует влажности замедление роста растений». Итак, повышенная теплоемкость почвы при «нулевой» технологии обусловлена более высокой влажностью (30,2%) по сравнению с традиционной (23,7%) и большей плотностью (1,23 и 1,08) соответственно. Повышенную температуро-и теплопроводность при «нулевой» технологии можно объяснить только за счет большей плотности, которые подтверждают другие исследователи [21].

В слое же 10-20 см теплоемкость, тепло-и температуропроводнисть, наоборот, были несколько выше традиционной технологии. Основной причиной повышения этих показателей является увеличенная плотность почвы при традиционной технологии - 1,25 против 1,17 при «нулевой» - из-за так называемой «плужной подошвы», дисковании и культивации, так как влажность почвы была практически одинаковой по вариантам.

Согласно полученным данным можно предположить, что верхний (0-10 см) слой почвы в варианте с «нулевой» технологией будет меньше прогреваться, чем на контроле, потому что его нагрев требует больше тепла, что обусловлено, прежде всего, высшей теплоемкостью (0,62) по сравнению с контролем (0,47). В то же время этот слой будет проводить больше тепла (теплопроводность почвы на варианте с «нулевой» технологией выше на 0,0005 Вт/м град, чем с традиционной), что приводит к уменьшению разницы температур между вариантами. В слое 10-20 см условия аккумуляции и переноса тепла мало отличаются по вариантам, поэтому разница в температуре почвы между «нулевой» и традиционной технологиями незначительна.

По данным M. Johnson и B. Lowery [9], теплоемкость почвы по «нулевой» технологии выращивания кукурузы была выше. S.C. Gupta, W.E. Larson и R.R. Allmaras [7] также отмечали разницу в теплоемкости между вариантами опыта (технологиями). Однако К. N. Potter с соавторами [11] получил данные, свидетельствующие о фактически одинаковой теплоемкости.

Исследователи наблюдали высокую температуропроводнисть почвы (на 20% большую по сравнению со вспашкой) по «нулевой» технологии [9, 11]. K.N. Potter [11] сообщает, что температуропроводнисть увеличивалась линейно, независимо от технологий, с увеличением влажности почвы. Автор ссылается на Van Duin [12], который в 1956 году установил повышение температуропроводности почвы до черты и снижение ее при дальнейшем увеличении влажности. S.C. Gupta, W.E. Larson и R.R. Allmaras [7] обнаружили, что разница температуропроводности в почвенном профиле 0-30 см была относительно мала. Очевидно, что каждый из этих авторов имеет свои данные, которые иногда совпадают с данными других исследователей, а иногда оказываются противоположными. Поэтому возникает необходимость проведения собственных исследований.

Имея все необходимые агрофизические показатели почвы и уравнения, мы определили теплофизические показатели в наших опытах с различными вариантами обработки почвы при выращивании кукурузы. Все измерения проведены 6 июня (табл. 2). В слое 0-10 см теплоемкость по «нулевой» технологии без мульчи и с мульчей оказалась существенно большей, чем при традиционной. Это обусловлено большей плотностью по «нулевым» технологиями (1,24 г / см3 без мульчи, 1,14 г/см3 с мульчей) против 1,02 г/см3 по традиционной, а по «нулевой» технологии с мульчей также большей влажностью в слое 0-10 см - 29,6% против 22,6% по традиционной.

Табл. 2. Теплофизические показатели чернозема обыкновенного под кукурузой (монокультурой) при различных технологий обработки почвы на 6 июня 2000 г.

В слое 10-20 см теплоемкость при традиционной технологии была существенно большей по сравнению с «нулевой» в рядке (1,25 г/см3 против 1,13 г/см3), так как при междурядной обработке происходит уплотнение.

Конечно, корректнее было бы сравнивать плотность рядка с «нулевой» технологией с рядком по традиционной, но предпосевная культивация также способствует созданию так называемой «пахотной подошвы». Бесспорно, максимальная теплоемкость в слое 10-20 см наблюдается при «нулевой» технологии с мульчей из-за существено более высокой влажности (28,4%) по сравнению с традиционной (18,9%), хотя это только тенденция -- НСР равна 0,11, а поэтому разница по теплоемкости между этими вариантами несущественна. Высокая теплоемкость почвы по «нулевой» технологии без мульчи, с нашей точки зрения, создана достаточно высокими влажностью и плотностью грунта - 23,9% и 1,20 г/см3 соответственно.

Теплопроводность ведет себя аналогично теплоемкости, что обусловлено вышеупомянутыми факторами. По «нулевой» технологии без мульчи и с мульчей теплопроводность была существенно выше в слое 0-10 см, однако в слое 10-20 см при традиционной технологии она превосходила показатели по «нулевой» в рядке. Между поверхностью почвы и глубокими слоями происходит непрерывный теплообмен. Поток тепла, который может иметь направление от поверхности почвы вглубь и наоборот и называется теплообменом в почве. По Р. Д. Хэнксом и др. [4], тепловой поток - это теплопроводность умноженная на градиент температуры в вертикальном направлении.

Итак, имеем:

Q = - л (ДТ / Дz), (4)

Q-тепловой поток поверхности почвы, л - теплопроводность, (ДТ / Дz) - градиент температуры в вертикальном направлении.

Литература

1. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследований физических свойств почв и грунтов. - М.: Высшая школа, 1973. - 399 с

2. Гупало А.И. Тепловые свойства почвы в зависимости от Ее влажности и плотности / / почвоведением. - 1959 .- № 4 .- С. 41 - 45 - P.405 - 412.

3. Тихонравова П.И., Нестерова А.В. Температурный режим дерново-подзолистой почвы при минимализациы обработки / / почвоведением. - 1995. № 2. - С. 200 - 204.

4. Хэнкс Р.Дж., Ашкрофт Дж.Л. Прикладная физика почв: Влажность и температура почвы. - Ленинград: Госметеоиздат, 1985. - 152 с.

5. Шикула Н.К., Назаренко Г.В. Минимальная обработка черноземов и воспроизводство их плодородия. - М.: Агропромиздат, 1990. - 320 с.

6. Doran J.W., W.W. Wilhelm, and J.F. Power. Crops residue removal and soil productivity with no - till corn, sorgum and soybean / / Soil Sci. Soc. Am. J. - 1984. - N 48. - P.640 - 645.

7. Gupta S.C., W.E. Larson and Allmaras R.R. Predicting soil temperature and soil heat flux under different tillage - surface residue conditioins / / Soil Sci. Soc. Am. J. - 1984. - N 48. -P.223 - 232.

8. Heatherly L.G., Elmore C.D. and Wesley R.A. Weed control and soybean response to preplant tillage and planting time / / Soil & Tillage Reseach - 1989. -

9. Johnson M.D. and Lowery B. Effect of three conservation tillage practices on soil temperature and thermal properties / / Soil Sci. Soc. Am. J. - 1985. - N 49. -P.1547 - 1552.

10. Larsen J.K. Brun L.J. Enz J.W. and Cox D.J. Predicting soil temperature to indicate winter wheat mortality / / Soil Sci. Soc. Am. J. - 1988. - N 52. - P.776 - 780.N17.-P.199-210.

11. Potter K.N., R.M. Cruse and R. Horton. Tillage effects on soil thermal properties / / Soil Sci. Soc. Am. J. - 1985. - № 49. -P. 968 - 973.

12. Van Duin, R.H.A. On the influence of tillage on conduction of heat, diffusion of air and infiltration of water in soil / / Agric. Res. Rep .- 1956. - N 7. -62-82.

Размещено на Allbest.ru