Температурный режим экосистемы

ЗНАЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВЫ И ВОЗДУХА ДЛЯ ЭКОСИСТЕМЫ
ПОСТУПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА В ЭКОСИСТЕМЕ
ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПОЧВЕ
ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПОСЕВЕ
МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕЙСТВИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА УРОЖАЙНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
Лекция 4
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ЭКОСИСТЕМЫ

ЗНАЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВЫ И ВОЗДУХА ДЛЯ ЭКОСИСТЕМЫ
Температура воздуха
играет решающую роль
в процессах, происходящих в экосистеме

ПОСТУПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА В ЭКОСИСТЕМЕ

Главным отличием агроэкосистемы от экосистемы является то, что пока не появились всходы, она представляет собою почву с населяющими ее компонентами, лишенную растительного покрова. В результате солнечные лучи беспрепятственно попадают на ее поверхность и нагревают верхние слои. Поэтому с термического режима почвы целесообразно начать рассмотрение теплопереноса в агроэкосистеме. В экосистемах, а так же в многолетних агроэкосистемах, динамика температуры почвы, наоборот, зависит от температурного режима надземной части, которая покрыта растениями и поэтому первая принимает и распределяет ДВ радиацию.

ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПОЧВЕ
Скорость нагревания верхнего слоя почвы зависит от ее влажности и плотности травостоя (чем выше, тем медленнее прогревание).
Суточный ход температуры более наглядно можно представить графически.

Как видно из рисунка, максимум в суточном ходе температуры запаздывает с увеличением глубины.

Если построить профили температуры в летний день, то на глубине 0,4...0,5м амплитуда колебаний не превышает 2...3 градусов

В более глубоком слое почвы (более 1,0...1,5м) температура в течение суток не изменяется, но имеет хорошо выраженный сезонный ход.

Отмеченные явления (сдвиг максимума во времени и уменьшение амплитуды в зависимости от глубины) объясняется теплофизическими характеристиками почвы, которые представлены
теплоемкостью и теплопроводностью.

Теплоемкость - это количество тепловой энергии, которое должно быть сообщено почвенному слою для повышения его температуры на 1 градус.
Она зависит на 46% от теплоемкости почвенного скелета (удельной теплоемкости) и на 43% от плотности почвы.

Теплопроводность - это скорость передачи тепла между почвенными слоями.
Она, в основном, зависит от влажности почвы.

Таким образом, для описания динамики температуры почвы во времени и по глубине совершенно невозможно использовать усредненные по всему профилю показатели удельной теплоемкости, плотности и влажности, поскольку для каждого слоя они различаются довольно значительно.
Следовательно, расчет должен проводиться для каждого слоя отдельно,
а потом, используя уравнение теплопроводности, можно связать эти слои между собой уравнениями теплового баланса.

для построения компартментальной модели модуля термического режима почвы надо задать высоту каждого компаpтмента.
Стандаpтная глубина мониторинга темпеpатуpы в агpометеослужбе 0, 5, 10, 15, 20, 40, 80, 120, 160, 270 и 320 см. Поэтому и высота компаpтментов оpиентиpована на эти глубины

Структурная схема модуля теплопереноса в почве
Расчет выполняется по каждому компартменту

на выходе модуля получаем рассчитанную по профилю температуру, которую можно использовать автономно (например, изучая зависимость температуры от плотности почвы)
Л
Модуль
тепло- и влагопереноса в посеве
Модуль
влагопереноса
в почве
Модуль
агротехники
Ts(tk+1)
С
Ts *
Ws *
Ps *
Сs
См *
Хм *
или подавать на вход в другие модули модели продукционного процесса, обеспечивая связь между ними.

Регулируются
агротехническими методами
Содержание в почве органического и минерального вещества (Xm).
Модуль
агротехники
Хм *

ПЕСКОВАНИЕ глинистых и
ГЛИНОВАНИЕ песчаных почв,
ИЗВЕСТКОВАНИЕ кислых и
ГИПСОВАНИЕ засоленных.
самым эффективным приемом является внесение в почву ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА в виде торфа, навоза, компостов, растительных остатков и других видов органических удобрений.
Регулируются
агротехническими методами
Содержание в почве органического и минерального вещества (Xm).

Pасчет показывает, что с увеличением процентного содержания органического вещества, а, следовательно, уменьшением минерального, удельная теплоемкость почвы возрастает и, наоборот, обеднение почвы органическим веществом ведет к снижению удельной теплоемкости.

Регулируются
агротехническими методами
плотность почвы (Ps).
Л
Модуль
тепло- и влагопереноса в посеве
Модуль
влагопереноса
в почве
Модуль
агротехники
Ts(tk+1)
С
Ts *
Ws *
Ps *
Сs
См *
Хм *
Модуль
агротехники
Ps *

ВСПАШКА,
КУЛЬТИВАЦИЯ,
ДИСКОВАНИЕ,
ЛУЩЕНИЕ,
РЫХЛЕНИЕ,
БОРОНОВАНИЕ и др
Регулируются
агротехническими методами
плотность почвы (Ps).

В периоды возрастания температуры поверхности почвы (начало вегетационного периода и дневные часы суток) нижние слои обработанной почвы имеют более низкую температуру, чем необработанной.
В периоды же охлаждения (конец вегетационного периода и ночное время суток) зависимость обратная.
Это связано с пониженной теплопроводностью обработанных слоев почвы.

Регулируются
агротехническими методами
Влажность почвы (Ws)
Л
Модуль
тепло- и влагопереноса в посеве
Модуль
влагопереноса
в почве
Модуль
агротехники
Ts(tk+1)
С
Ts *
Ws *
Ps *
Сs
См *
Хм *
Модуль
агротехники
Ws *

ОРОШЕНИЕ и
ОСУШЕНИЕ, которые относятся к мелиоративному воздействию, приводящему порой к коренному изменению всех или большинства физико-химических свойств почвы.
АГРОМЕЛИОРАТИВНЫЕ ( нарезка гряд и гребней, лункование и бороздование, кротование и др.).
АГРОТЕХНИЧЕСКИЕ
Регулируются
агротехническими методами
Влажность почвы (Ws)

ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПОСЕВЕ
Конвективный перенос тепла
Турбулентный перенос тепла

Конвективный перенос тепла
При прогревании воздуха теплые массы поднимаются вверх, а на их место поступают холодные.

Турбулентный перенос тепла
Завихрения воздуха в результате изменения скорости ветра по высоте и препятствий, которые он встречает на своем пути.

Турбулентный обмен идет как над посевом, так и внутри него, но с разной интенсивностью, зависящей от скорости ветра.
Сама же скорость ветра затухает по мере приближения к почве из-за сопротивления фитоэлементов

В экосистеме поочередно наблюдаются и турбулентное и конвективное движение воздуха в зависимости от стратификации (состояния) атмосферы. Pазличают нейтральную, устойчивую и неустойчивую стратификацию.

Стратификация атмосферы зависит
от разницы температур поднимающегося нагретого столба воздуха
и окружающего этот столб воздуха
Разница температур может быть не равна 1 ºС

Если температура неподвижного воздуха с высотой уменьшается на 1°С/100м, поднимающийся воздух, температура которого тоже снижается на 1°С/100м беспрепятственно смешивается с окружающим и стратификация называется нейтральной (или безразличной) Интенсивность обмена слабая, поскольку восходящего потока воздуха практически нет.

Если температура неподвижного воздуха снижается с высотой на величину менее 1°С/100м, поднимающийся вихрь (снижается на 1°С/100м) охлаждается быстрее. Это приводит к его разрушению, а воздух остается в спокойном состоянии, называемом устойчивой стратификацией атмосферы
Если температура неподвижного воздуха снижается с высотой на величину менее 1°С/100м, поднимающийся вихрь (снижается на 1°С/100м) охлаждается быстрее. Это приводит к его разрушению, а воздух остается в спокойном состоянии, называемом устойчивой стратификацией атмосферы

Если температура неподвижного воздуха снижается с высотой более, чем на 1°С/100м, поднимающийся воздух (снижается на 1°С/100м) остается постоянно теплее окружающего. Это ведет к образованию вихрей разной силы. Такое состояние называется неустойчивая стратификация. Завихрения увеличивают тепло- и влагообмен между атмосферой и подстилающей средой в десятки и сотни раз.

Таким образом, термодинамика наземной части экосистемы представляет собою гораздо более сложный процесс, чем термодинамика почвы, поскольку ее модуль должен быть связан с модулем скорости ветра. Так как скорость ветра неодинакова на разной высоте, слой атмосферы надо разделить на компартменты. Большинство выращиваемых культур не превышает по высоте 2м, следовательно, будем считать эту высоту предельной. Толщину компартментов целесообразно установить 10 см, что позволит более точно рассчитать их параметры в ранние фазы развития растений. Тогда получается 20 компартментов

Уpовень,см Номеp компаpтмента Высота компаpтмента,см
200_________________20___________________________10
190_________________19___________________________10
180_________________18___________________________10
170_________________17___________________________10
160_________________16___________________________10
150_________________15___________________________10 140_________________14___________________________10
130_________________13___________________________10
120_________________12___________________________10
110_________________11___________________________10
100_________________10___________________________10
90_________________ 9___________________________10
80_________________ 8___________________________10
70_________________ 7___________________________10
60_________________ 6___________________________10
50_________________ 5___________________________10
40_________________ 4___________________________10
30_________________ 3___________________________10
20_________________ 2___________________________10
10_________________ 1___________________________10
0_________________ 0___________________________ 0
Pис. 48. Схема компартментального распределения приземного слоя воздуха (Ориг.).

Uf*
Cp
Pa
hl
Ta(tk+1)
L
Ts
Qo
Модуль экологических
взаимодействий
Модуль роста
и развития растений
Модуль прогноза суммарной энтальпии
и эффективной температуры воздуха
Модуль
агротехники
Модуль
температурного
режима почвы
Модуль
радиационного
режима
Рис. 49. Структурная схема модуля температурного режима атмосферы.
Температуру воздуха в полевых условиях можно регулировать агротехническими способами только через три параметра: скорость ветра (Uf), высоту посева (hl), и листовой индекс (L).
Uf*
hl
L

скорость ветра (Uf)
Высота посева
Полезащитные лесополосы

высота посева (hl)
листовой индекс (L).
определяется ВИДОМ и
СОРТОМ возделываемой культуры,
УРОВНЕМ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕЙСТВИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
НА УРОЖАЙНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

динамика температуры воздуха, почвы и листьев изменяется на протяжении суток

Таким образом, в полевых условиях температура подвержена довольно значительным колебаниям, часто выходящим за пределы оптимальных значений.
Отсюда ясно, что урожайность, обеспечиваемая ресурсами ФАP, в полевых условиях не всегда достигается поскольку она может лимитироваться тепловым фактором.

ФУНКЦИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ РАССЧИТЫВАЕТСЯ КАК
Произведение урожайности, рассчитанной по модели первого уровня продуктивности, на Kt1 и Kt2 и будет урожайностью, скорректированной по оптимальности температуры:
У(Q,T) = У(Q)*Kt1*Kt2, т/га.

Итак, температурный режим экосистемы определяется поступлением коротковолновой и длинноволновой солнечной радиации, причем последняя действует как в дневное, так и в ночное время суток.
Днем идет нагревание посева и почвы, ночью - охлаждение. Наибольшей амплитуде колебания температуры подвержены органы верхнего яруса растений.
По мере приближения к поверхности почвы и вглубь нее амплитуда температуры уменьшается, а на глубине 0,5...0,6м суточные колебания затухают.

Температура в экосистеме имеет огромное значение, так как скорость почти всех наблюдающихся процессов зависит от термодинамики атмосферы и почвы.
Однако, антропогенно изменять этот параметр довольно затруднительно из-за небольшого числа регулируемых факторов.
Так, тепловой режим надземной части агроэкосистемы эффективно контролируется только через высоту посева и площадь фитоорганов.
На термодинамику почвы можно действовать более эффективно: через изменение содержания органического вещества, влажности и плотности почвы.

В период вегетации может наблюдаться отклонение температуры от оптимального для растения, что вызовет снижение урожайности на величину прямо пропорциональную отклонению функции оптимальности температуры от единицы.
В связи с тем, что в периоды до и после цветения благоприятная температура роста и развития растения может отличаться, значения функции рассчитываются применительно к каждому периоду в отдельности, а потом проводится корректировка первого уровня продуктивности по оптимальности температурного режима.