Тепловые свойства почв

Источники тепла в почве:
солнечная радиация,
химические процессы, протекающие в почве,
внутреннее тепло земной коры,
движение теплых воздушных масс на охлажденную поверхность.

Тепловые свойства почвы.
К ним относятся:
а)теплопоглотительная способность почв
б)теплоемкость
в)теплопроводность

Теплопоглотительная способность почв – способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца. Величина, обратная величине Альбедо –А
Альбедо – это количество солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы от общей солнечной радиации, достигающей поверхности почвы. Выражается в процентах.

Альбедо зависит от:
цвета,
влажности,
структурного состояния почвы,
от рельефа
растительности на ней.

Темные богатые гумусом почвы поглощают больше солнечной радиации (соответственно сильнее прогреваются), чем светлые.
Влажные больше поглощают, чем сухие и т. д.

Величина Альбедо и поглощение солнечной радиации различных почв
растительных покровов (А. Ф. Чидновский, 1959)
----------------------------------------------------------------------------------------------
Объект Величина Альбедо Поглощение
исследований в % почвой, в %
Чернозем сухой 14 86
влажный 8 92
Серозем сухой 25 – 30 75 – 70
влажный 10 – 12 90 - 88
Глина сухая 23 77
влажная 16 84
Песок белый и желтый 34 – 40 66 – 60
Трава зеленая 26 74
сухая 19 81
Снег чистый 88 12
--------------------------------------------------------------------------------------

Теплоемкость почвы (С)
– свойство поглощать тепло. Характеризуется количеством тепла в калориях, необходимого для нагревания единицы массы почвы (1 г) или объема ( 1 см3.) на один градус (1оС). В связи с этим различают теплоемкость весовую (удельную) и объемную.
Теплоемкость зависит от:
минералогического
механического состава,
содержания органики,
влажности почвы,
пористости

Теплоемкость составных частей почвы и отдельных минералов.
-------------------------------------------------------------------------
Название Теплоемкость в калориях
веществ весовая объемная
Песок кварцевый 0,196 0,517
Глина 0,233 0,577
Торф 0,477 0,611
Вода 1,000 1,000
Каолин 0,233 0,568
-------------------------------------------------------------------------

Вода более теплоемка, чем минералы и органические компоненты почвы.
Для повышения температуры влажной почвы требуется больше тепла, чем для сухой и прогреваются они медленнее, чем сухие.
Глинистые почвы более теплоемкие, весной прогреваются медленнее (холодные почвы), чем песчаные. Осенью они медленнее остывают. Изменяя влажность и пористость возможно регулировать температуру почвы.

Теплопроводность почвы
– способность почвы проводить тепло. От теплопроводности зависит скорость передачи тепла от одного слоя к другому. Измеряется количеством тепла в калориях, которое проходит в 1 секунду (с) через 1 см2 слоя почвы толщиной в 1 см. Почва имеет три фазы – жидкую твердую и газообразную и через все фазы проходит тепло. Естественно, скорость прохождения тепла для каждой фазы будет своя.:
Воздух - 0, 00006 калорий Вода - 0, 00136 калорий
Торф - 0,00027 Кварц 0, 0024
Гранит 0,0082 Базальт 0,0092

Теплопроводность минеральной части почвы в среднем в 100 раз больше, чем воздуха, а воды в 28 раз больше, чем воздуха. Чем влажнее почва, тем выше теплопроводность, с рыхлением и уменьшением влажности теплопроводность уменьшается
Летом с уменьшением влажности теплопроводность снижается и. верхние слои почвы активно нагреваются.

Тепловой режим почв.
Совокупность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла называется тепловым режимом почв.

Тепловой режим почв формируется под влиянием:
климата (потока солнечной радиации, увлажнения и континентальности),
рельефа,
растительности,
снежного покрова.

- рельеф – неравномерное поступление радиации в зависимости склонов разной величины и экспозиции. Самые теплые южные склоны, затем западные и восточные и самые холодные – северные. В наших условиях, например, клубника созреет на южном склоне на неделю раньше, чем на северном Склоны разной крутизны имеют разную влажность почвы и это сказывается на температуре почвы.
- растительный покров – уменьшает приток солнечной радиации в почву и в летнее время снижает температуру почвы, а зимой больше накапливает снега, лучше сохраняет тепло почвы.

- снег уменьшает глубину промерзания почвы. – под снежным покровом температура почвы ниже 00с наблюдается позже, чем без снега, По нашим данным (многолетние наблюдения) получена следующая закономерность уменьшения глубины промерзания
осушенных торфяных почв с увеличением мощности снежного покрова:
Мощность снега, см 40 44 49 60 62 66
Глубина промезания, см 18 16 12 10 10 9

- механический состав – глинистые почвы более холодные из-за высокой теплопроводности, песчаные более теплые. Самые холодные почвы торфяные, как более влажные и имеющие высокую теплоемкость. Разница в температурах болотных и минеральных почв может достигать 2,5 – 4.2 Со
- окраска – чем темнее поверхность почвы, тем больше она получит солнечной радиации, тем выше будет ее температура.

Поступление солнечной радиации, как уже говорилось ранее, имеет суточную и сезонную цикличность. Естественно будет наблюдаться цикличность и в изменение температур в почвах, как в течение суток, так и в годовом цикле:
Суточный ход температур почвы.
Максимальная температура на поверхности почвы наблюдается около 14 часов, а минимальная около 4 часов утра. Таким образом, в суточном ходе температур мы наблюдаем два цикла – с 4 часов утра и до 14 часов процесс нагревания почвы, а с 14 часов и до 4 утра – охлаждение поверхности почвы
Нагревание идет наиболее активно на поверхности, поэтому наиболее высокие температуры почвы мы наблюдаем в верхнем слое почвы, с глубиной температура уменьшается так как уменьшается скорость прогрева. В связи с этим с глубиной будет наблюдаться сдвиг по фазе максимальных температур почвы. Запаздывание максимальных температур с глубиной будет составлять 2 – 3 часа на каждые 10 см. слоя почвы. Например, максимальная температуру на глубине 10 см будет наблюдаться не в 14 часов как на поверхности, а только в 16 – 17 часов.
Наибольшая глубина суточного колебания температур наблюдается для минеральных почв до 1,0 м., а для болотных 35 – 40 см.

Нагревание поверхности почвы зависит от
цвета почвы,
структуры,
органики.
На черных грунтах – черный низинный торф – максимальная температура может достигать на поверхности 550с. Корневые шейки древесных пород, например: сеянцев березы, выдерживают температуру до500с, поэтому в отдельных случаях на таких почвах может наблюдаться ожег корневой шейки и гибель сеянцев.
Большая амплитуда колебаний температур почвы на разных глубинах.
На поверхности осушенных торфяных t 030 – 350С, а на глубине 35см – всего 4-60С.
На минеральных почвах на поверхности 50 – 550С и на глубине 1,0 м 4 – 50С – (то есть различие в 500С)

Годовой ход температур почвы.
Годовой ход температур характеризуется проявлением двух периодов: летнего – с потоком тепла от верхних горизонтов к нижним (период нагревания почвы),
зимнего – с потоком тепла снизу вверх (период охлаждения почв)
В умеренных широтах максимум среднесуточной температуры наблюдается в конце июля, минимум – в конце февраля. Самая высокая температура на поверхности наблюдается летом, зимой (февраль) самая высокая температура наблюдается на глубине.
Запаздывание максимальных температур на глубине по сравнению с поверхностью будет составлять;
-на глубине 25 см – две недели,
- на глубине 160 см – один месяц.
Отмечено, что максимальная глубина колебаний температуры в годовом цикле составляет 12 – 14 м.

Охлаждение почвы в зимнее время обусловлено, главным образом, мощностью снежного покрова, чем больше мощность снега, тем меньше охлаждение.
Существенную роль в колебаниях температуры почвы играет лес. Летом он снижает интенсивность нагревания поверхности почвы, тем самым уменьшает колебания суточных температур. Зимой, особенно в лиственном лесу, где особенно много снега, снижается активность охлаждения почвы, уменьшает глубину промерзания почвы.

Установлено, что для начала роста корней необходимо прогревание корнеобитаемого слоя почвы до 5 – 7 0С, для активного роста растений 8 - 9 0С В нашей зоне (таежная зона) такое прогревание наблюдается в мае. По нашим данным, на осушенном верховом болоте до 5 – 7 0С корнеобитаемой слой почвы прогревается по годам наблюдений 5- 15 мая

Замерзание и оттаивание почвы
Зимой температура верхних почвы во многих районах опускается ниже нуля. В почве всегда содержится какое – то количество влаги и, естественно, верхние слои почвы замерзают. Почва при температуре до О 0С не замерзает, потому что в почвенном растворе имеются солеи. В лесной зоне средняя температура начала замерзания почвы -4 0С
При этом надо иметь в виду, что в результате сорбционных сил вся прочносвязанная влага и часть рыхло связанной не замерзает вообще. Глубина замерзания почвы зависит от мощности снежного покрова.
Замерзание почвы начинается обычно с наступлением устойчивых отрицательных температур воздуха до образования снежного покрова, хотя в отдельные годы может наблюдаться замерзание почвы уже после образования снежного покрова (снег ложится на талую землю). Явление нехорошее, в сельском хозяйстве приводит к гибели озимых посевов (так называемое выпревание посевов). Максимальная глубина промерзания почвы наблюдается в конце марта и с этого времени начинается обратный процесс – процесс оттаивания.

Положительные последствия промерзания почвы по М. И. Сахарову
1. Благоприятное влияние на образование структуры почвы.
2.Миграция почвенных животных в нижние слои почвы, которые рыхлят нижние слои, перемешивают их с верхними, улучшают водопроницаемость.
3.Задержка вегетации, что имеет большое значение для пород, боящихся заморозков.
4.Увеличение ветроустойчивости деревьев, что очень важно для еловых древостоев.
5. Улучшение условий лесоэксплуатации, валки деревьев, их вывозки и т. д.

Отрицательные последствия замерзания почвы.
1.Понижение водопроницаемости почвы, следовательно, увеличения поверхностного стока (нежелательного) весной.
2.Задержка микробиологических и химических процессов в почве.
3. Выжимание всходов весной (за счет набухания почвы).
4. Ослабления испарения из почвы, нежелательного в условиях избыточного увлажнения (в условиях таежной зоны).
Промерзание почвы при влажности, близкой к НВ или более высокой, служит причиной подтягивания в верхние горизонты из нижних значительного количества влаги. Влажность верхних слоев почвы при этом может достигать ПВ (полной влагоемкости) и даже превышать ее за счет раздвигания почвенных частиц кристаллами льда, Таким образом может передвигаться до 100 мм влаги.
Глубину и скорость промерзания можно регулировать лесохозяйственными приемами:
рубками ухода за лесом,
созданием смешанных насаждений,
разбрасыванием порубочных остатков и т. д.

Радиационный и тепловой баланс почвы.
Солнечная энергия, протекающая к поверхности почвы, частично поглощается ею, а часть ее отражается обратно в атмосферу, о чем уже ранее говорилось. Приход – расход солнечной радиации, поглощаемой и излучаемой поверхностью почвы, называется радиационным балансом почвы.
Радиационный баланс почвы выражается уравнением:
R = LE + G + A где:
-R - радиационный баланс
- L Е – тепло затраченное на транспирацию и физическое испарение
- G - количество тепла, направленное на нагревания воздуха
А – расход тепла, направленного на теплообмен между поверхностью почвы и ее глубокими слоями (при этом тепловой поток направлен вглубь почвы днем и летом, и, наоборот, вверх- ночью и зимой)
Радиационный баланс может быть положительным и отрицательным, что определяет нагревание и охлаждение почвы. В околополуденный период его значения максимальные, ночью под утро – минимальные. Таким образом, для радиационного баланса характерна суточная и годовая периодичность.

Типы теплового (температурного) режима почв
Типология температурного режима почвы получила свое развитие благодаря трудам В. Н. Димо. В основу выделения типов температурного режима она взяла признаки, относящие к промерзанию почвы.
Для территории бывшего СССР она выделила 4 типа со следующей характеристикой:
Тип 1. Мерзлотный. Характерен для областей с многолетней (вечной) мерзлотой Нагревание почвы сопровождается ее протаиванием , а охлаждение - промерзанием до верхней границы вечной мерзлоты. Средняя годовая температура почвы поверхности и температура почвы на глубине 0,2 м. самого холодного месяца – отрицательная.
Тип 2. Длительно – сезонно – промерзающий. Процесс нагревания в начальной стадии сопровождается оттаиванием, а процесс охлаждения - глубоким промерзанием. Длительность промерзания не менее 5 месяцев. Глубина проникновения в почву отрицательных температур превышает 1 м. Средняя годовая температура положительная. Температура на глубине 0,2 м. самого холодного месяца – отрицательная.
Тип 3. Сезоннопромерзающий. Процесс нагревания вначале сопровождается оттаиванием, а процесс охлаждения – неглубоким промерзанием .Глубина проникновения отрицательных температур не превышает 2 м. Длительность сезонного промерзания – от нескольких дней до 5 месяцев. Среднегодовая температура - положительная. Температура на глубине 0,2 м самого холодного месяца – отрицательная
Тип 4. Непромерзающий. Промерзания не наблюдается, отрицательные температуры почвы отсутствуют или держатся несколько дней, Температура почвы на глубине 0,2 м. самого холодного месяца – положительная.
Все типы тепловых режимов характерны для территории современной России