Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы 8
1.1 Изученность тепловых свойств и теплового режима 8
1.2 Тепловой режим и почвенное плодородие 14
1.3 О методах изучения тепло физического состояния 18
Глава 2. Объекты и методы исследования 23
2.1. Характеристика черноземов выщелоченных (физические, водно-физические и теплофизические свойства) 23
2.2. Характеристика ягодных культур (смородины черной, жимолости, земляники) 27
2.3. Приборная база теплофизических исследований 31
Глава 3. Условия проведения эксперимента 37
3.1. Природные условия: климат, рельеф, геология, растительность 37
3.2. Агротехника возделывания ягодных культур 41
Глава 4. Теплофизические свойства чернозема в условиях сада 44
4.1 Теплофизические свойства чернозема выщелоченного 44
4.2. Сезонная динамика теплофизических характеристик почвы 49
Глава 5. Гидротерм ически и режим чернозема выщелоченного под ягодными культурами 59
5.1. Суточная динамика гидротермического режима в период вегетации .59
5.2. Формирование температурного режима чернозема в зимний период. 82
Выводы 92
Литература 95
Приложения 109
- Тепловой режим и почвенное плодородие
- О методах изучения тепло физического состояния
- Характеристика ягодных культур (смородины черной, жимолости, земляники)
- Агротехника возделывания ягодных культур
Введение к работе
Ягоды и фрукты - обязательная составная часть рациона человека. Они обеспечивают наш организм такими важными веществами, как легкоусваиваемые углеводы, витамины, органические кислоты, ароматические и минеральные соединения. Кроме того, они обладают лечебными свойствами, способствуют укреплению здоровья и повышению трудоспособности.
В то же время плодово-ягодные культуры весьма требовательны к условиям произрастания и, в первую очередь, к почве и ее плодородию, а именно к обеспеченности элементами питания и гранулометрическому составу, определяющему водно-физические свойства и поглотительную способность почвы.
Одним из непременных условий повышения почвенного плодородия и получения высоких и устойчивых урожаев ягодных культур является создание оптимальных агрофизических свойств и гидротермических режимов в почвенном профиле.
Именно тепло и влага определяют интенсивность окислительно-восстановительных процессов, пищевого режима, жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, отвечают за рост и развитие корневой системы, а, в конечном счете, за урожай.
В то же время тепловые потоки и движение влаги в почве зависят от совокупности теплофизических свойств и распределения температурных полей в почве. К теплофизическим свойствам относятся объемная теплоемкость, тепло- и температуропроводность почвы.
5 В садоводстве Алтайского края на сегодняшний день отсутствуют сведения о
процессах формирования теплофизического состояния почв. Поэтому
комплексные исследования тепловых свойств почвы, гидротермических
режимов во взаимосвязи с агротехникой выращивания ягодных культур весьма
актуальны.
Более полное познание закономерностей формирования и проявления теплового режима в почвах садов Сибири с учетом изменения их агро- и теплофизических свойств, характера напочвенного покрова очень важно в связи с необходимостью разработки научно обоснованных зональных систем и приемов по направленному регулированию мерзлотным и гидротермическим режимами почв в течение всего года. Цель работы
Изучить теплофизические свойства и гидротермические режимы в черноземах выщелоченных под различными ягодными культурами. Задачи исследований
определить теплофизические характеристики черноземов выщелоченных в специфических условиях многолетних ягодных насаждений
изучить суточные и годичные температурные циклы и тетшопотоки в генетических горизонтах черноземов выщелоченных в садах Алтайского Приобья в зависимости от агрофона.
Объект и методика исследований
Исследования проводились в НИИ садоводства им. М. А. Лисавенко на участках сортоиспытания. Объектом исследований являлись черноземы выщелоченные под различными ягодными культурами.
Определение физико-механических и водно-физических свойств почв, а также полевые опыты были проведены в соответствии с принятыми в агропочвоведении и агрохимии методиками. Результаты исследований обрабатывались с помощью современных ЭВМ. Научная новизна
Впервые экспериментально определены тешюфизические свойства чернозема выщелоченного в условиях сада. Также впервые изучено формирование годичного цикла температурного и гидротермического режимов почвы под различными агроценозами ягодных культур.
Выполненные исследования позволили получить целостную картину теплофизического состояния почвенного профиля под различными ягодными культурами, оценить степень воздействия той или иной культуры на температурные режимы и теплопотоки в почве.
Защищаемые положения
- поступление, аккумуляция и расход тепла, а также температурный режим в
почве зависят от ее агро- и теплофизических свойств и особенностей
растительного покрова.
Практическая значимость
Выявленные особенности формирования гидротермического режима в черноземах выщелоченных под изученными культурами позволяют оценить и прогнозировать характер и степень изменения теплофизических свойств и особенностей теплообмена по профилю почвы и их влияние на жизнедеятельность ягодных культур.
7 Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на научно-практических конференциях Алтайского государственного аграрного университета (г. Барнаул, 2002, 2003 гг), II Международной конференции «Антропогенное воздействие на лесные экосистемы (г. Барнаул, 2002).
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 9 статьях, а также в книге «Теплофизические свойства и режимы в антропогенно - нарушенных почвах». Объем публикаций автора составляет 0,8 п. л.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 120 страницах печатного текста, включая 19 таблиц, 30 рисунков, 6 приложений. Список использованной литературы включает 150 источников, в том числе 12 на иностранных языках.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Макарычеву С. В. за постоянное внимание, поддержку и помощь при подготовке рукописи, а также благодарен А. Г. Болотову и Ю. В. Беховых за их помощь при проведении исследований.
Тепловой режим и почвенное плодородие
Зарождение современных представлений о плодородии почв относится к 17-18 в. В середине 18 века выдвигается гипотеза гумусового питания растений, спустя некоторое время устанавливается закон убывающего плодородия.
К 1771 году были обобщены имевшиеся к тому времени сведения о черноземах, и дана первая их классификация и рекомендации по повышению плодородия. Но основоположником науки о почвах признан В. В, Докучаев опубликовавший в 1883 году свой труд "Русский чернозем".
Впоследствии началось изучение взаимосвязи почвенного плодородия с гранулометрическим составом и структурой почв, гидротермическими свойствами и режимами и другими почвенно-физическими факторами.
В современном представлении плодородие это комплекс свойств почв и протекающих в почвах процессов, обеспечивающих снабжение растений такими факторами жизни, как питательное вещество, вода, воздух и тепло (Ковриго, Кауричев, Бурлакова, 2000).
Уровень плодородия зависит от показателей теплового, водно-воздушного, питательного, физико- и биохимического, солевого и окислительно -восстановительного режимов. Параметры режимов, в свою очередь, определяются климатическими условиями, агрофизическими и другими свойствами почв.
Плодородие проявляется как результат сложного взаимодействия и взаимовлияния свойств и режимов почв. Например, питательный режим почвы формируется как результат сложного превращения ее минеральных соединений, активности различных групп микроорганизмов и почвенной фауны, динамики водно - воздушного и температурного режимов и т. д.
Почвенное плодородие выступает как необходимое условие развития почвообразовательного процесса, поскольку от него зависит развитие почвенной биоты, и, прежде всего, высшей растительности и микроорганизмов.
В почве постоянно идет процесс формирования водных, воздушных, тепловых режимов в соответствии с климатическими условиями, ее гранулометрическим составом, плотностью, структурным состоянием и другими факторами. С теплом и влагой связаны важнейшие биологические и абиотические процессы, протекающие в почве и определяющие развитие почвообразования и плодородия, интенсивность химических реакций, процессы физического выветривания, деятельность микроорганизмов и почвенной фауны, прорастание семян и рост растений, процессы обмена веществом и энергией.
Знание закономерностей формирования теплового режима почв необходимо для его направленного регулирования с целью создания наиболее благоприятных условий для продуктивности возделываемых культур. Основными тепловыми свойствами почвы являются: теплопоглотительная способность, теплоемкость, тепло- и температуропроводность. Способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца называют теплопоглотительнои способностью. Она характеризуется величиной альбедо (А). Это количество коротковолновой солнечной радиации, отраженной поверхностью почвы и выраженное в процентах от общей величины солнечной радиации, достигающей поверхности почвы. Чем меньше альбедо, тем больше солнечной радиации поглощает почва. Оно зависит от цвета, влажности, структурного состояния, выравненности поверхности почвы и растительного покрова. Например, для черноземов сухого и влажного, по данным Чудновского (1959), альбедо составляет 14 % и 8 % соответственно.
Теплоемкость — это свойство почвы поглощать тепло. Она характеризуется количеством тепла в джоулях (калориях), необходимого для нагревания I грамма почвы на 1 С - весовая (удельная) теплоемкость. Объемной теплоемкостью называется количество тепла, необходимого для нагревания 1 см3 на 1 С. На величину теплоемкости сильное влияние оказывают содержание органического вещества, влажность, пористость почвы и другие факторы. Так как вода является наиболее теплоемким компонентом почвы, то для повышения температуры влажной почвы требуется больше тепла, чем для сухой. Таким образом нагревание влажных почв происходит медленнее, чем сухих, но и процесс охлаждения тоже замедляется. В связи с этим, изменяя влажность почвы поливами, можно в определенных пределах регулировать температуру почвы, что, в свою очередь, приведет к изменению процессов, протекающих в генетических горизонтах.
Способность почвы проводить тепло определяется теплопроводностью. Она влияет на скорость передачи тепла от одного слоя к другому, а следовательно, на способность почвы быстрее или медленнее нагреваться (охлаждаться) в определенной толще ее профиля. Теплопроводность измеряется количеством тепла в джоулях (калориях), которое проходит за 1 с через 1 м2 слоя почвы толщиной в 1 м. Большое влияние на теплопроводность оказывают влажность почвы и содержание в ее порах воздуха, поэтому с ростом увлажнения происходит повышение теплопроводности почвы, а при разрыхлении почвы она уменьшается. Совокупность явлений поступления, переноса и аккумуляции тепла называют тепловым режимом почвы. Его основным показателем, который характеризует тепловое состояние почвы, является температура генетических горизонтов почвенного профиля. Наиболее быстрые изменения температуры происходят на поверхности почвы. Для каждого типа почв характерны свои колебания температуры, как в верхних, так и в нижних горизонтах.
О методах изучения тепло физического состояния
Для определения теплофизических характеристик почвы используются две основные группы методов: расчетные и экспериментальные. Расчетные методы определения коэффициентов температуропроводности и теплопроводности некоторые исследователи (Колмогоров, 1950; Чудновский, 1948, 1976; Цейтин, 1956 и др.) считали наиболее простыми и удобными. Чаще всего используется метод анализа температурной волны. Учитывая естественное распределение температуры почвы по глубине и во времени, расчет коэффициента температуропроводности производится с использованием уравнения: где t-температура почвы; т - время; z - глубина почвы. Однако, при использовании этого метода, как указывал Д. Л. Лайхтман (1947), нельзя считать изменение температуры на поверхности почвы синусоидальным. А. Н. Колмогоров (1950) предложил использовать явление затухания амплитуды гармонических колебаний температуры в течение суток по профилю почвы. Данный способ расчета невозможно применить при определении коэффициента температуропроводности почв по осредненным температурам для мерзлых (влажных) почв в связи с наличием внутренних источников тепла (скрытой теплоты плавления или парообразования) (Цейтин, 1956). Таким образом, расчетные методы можно использовать для приближенного знания о процессах теплопередачи в почве, т. к. в некоторых из них суточные и годовые температуры считаются гармоническими, а в других не учитывается изменение объемного веса и влажности реальной почвы. Кроме того, при использовании расчетных методов не учитывается влияние фазовых превращений влаги на теплофизические свойства. В более перспективных, экспериментальных, методах определения теплофизических характеристик почвы идет деление на две группы: стационарные и нестационарные методы (Шевельков, 1960; Димитрович, 1963). Это связано с особенностями температурных полей, формирующихся при исследовании теплофизических свойств.
В основе стационарных методов лежат закономерности постоянного во времени температурного поля. Тепловой поток, проходящий через исследуемый объект, в этом случае остается постоянным по величине и по направлению. При этом температурный градиент в объеме всего образца не меняется. Тогда, на основе закона Фурье (Лыков, 1963), исходя из того, что тепловой поток пропорционален градиенту температуры, можно определить коэффициент теплопроводности: где q - поток тепла, Vt - градиент температуры. Хотя применение стационарных методов позволяет определять коэффициент теплопроводности с наибольшей точностью, сложная аппаратура, большая продолжительность опытов и возможность определения только одной характеристики и только в абсолютно сухих образцах существенно ограничивают применение этих методов. Более простыми и чаще применяемыми в настоящее время являются нестационарные методы определения теплофизических коэффициентов, основанные на закономерностях нестационарного теплового потока. В процессе развития нестационарных методов исследования теплофизических характеристик почв выделились три основные группы. Одну из них составляют методы регулярного теплового режима, разработанные Г.М. Кондратьевым (1954). При регулярном режиме тело находится в упорядоченном тепловом состоянии, которое характеризуется определенной закономерностью изменения температуры исследуемой точки среды (Димитрович, 1963). А. В. Лыков (1952, 1963) предложил квазистационарные методы. В основе их лежит квазистационарный режим нагрева и охлаждения тела (системы) — это такой режим, когда температура любой точки тела является линейной функцией времени, а распределение температуры по сечению тела подчиняется параболическому закону. Третью разновидность экспериментальных методов определения теплофизических коэффициентов образуют импульсные (методы мгновенного и равномерно действующего источника тепла). В основе этих методов лежит определение параметра нестационарного температурного поля в первой стадии его развития. Создание и совершенствование таких методов происходило благодаря активной работе А.Ф. Чудновского (1948, 1976), Е.Е. Вишневского (1958), А.М.Бутова (1961), Л.И. Лунина (1972, 1977, 1978), СВ. Макарычева (1996) и другим. При определении теплофизических характеристик с помощью импульсных методов используются закономерности выравнивания температурного поля в неограниченной среде после прекращения действия источника тепла. Особенностью процесса выравнивания является наличие максимума температуры исследуемой точки среды. Теплофизические параметры образцов определяют время наступления максимума температуры и ее величину, а находятся на основе решения уравнения Фурье с известными граничными условиями (Бутов, 1961, 1964; Вишневский, 1958; Фукс, 1970; Лунин, 1972; Bristow, Bilskie, Kluitenberg, Horton, 1995; Noborio, Mclnnes, Heilman, 1996).
Характеристика ягодных культур (смородины черной, жимолости, земляники)
Климатические условия определяют распространение плодово-ягодных пород, а также их сортов по регионам. Короткий вегетационный период, глубокое промерзание почвы зимой и медленное оттаивание весной обусловливают использование таких сортов плодово- ягодных культур, которые наиболее приспособлены к условиям сибирского климата (Рыжков, 1993). Одними из наиболее распространенных ягодных культур в нашем регионе считаются земляника, смородина черная и красная, жимолость, облепиха, малина. Земляника относится к роду Fragaria Juss семейству розанных Rosaceae Juss. Ягоды земляники используются в свежем виде и как сырье для перерабатывающей промышленности при приготовлении соков, джемов, замораживании. В плодах содержится 7,8 - 11,3 % сухих веществ, 4,5-8,4 % Сахаров, 0,4-1,3 % кислот, 33-120 мг % витамина С. Помимо этого в ягодах присутствуют витамины В9, каротин, соли железа и фосфора. Кусты земляники различаются по высоте, достигая 20-25 см, реже 30-35 см, они состоят из разветвленных укороченных стеблей (рожков), шнуро видных стеблей (усов), цветоносов и листьев. Лист тройчатый, состоит из трех долек, чья форма и черешки являются отличительными сортовыми признаками. За вегетацию нарастание листьев идет волнообразно, наиболее интенсивно они растут в весенне-летнее и летне-осеннее время. Основная масса корней земляники (более 80%) размещается в слое почвы до 20-30 см. Земляника - незимостойкое растение: понижение температуры почвы до -15...-18GC в бесснежную осень ведет к гибели растений; критической для корней является температура -8С, однако под мощным снежным покровом эта культура способна переносить морозы до -35... -40С. Хотя земляника относится к светолюбивым растениям, она может переносить легкое затенение. Вследствие неглубокого расположения корневой системы и большой листовой поверхности рост и развитие растений земляники очень сильно зависит от обеспеченности влагой. Даже кратковременные засухи могут явиться причиной низких урожаев.
Однако излишнее переувлажнение (за счет скопления талых и выхода к поверхности грунтовых вод, застаивания воды в понижениях) также отрицательно сказывается на развитии растений (Рыжков, 1993). Черная смородина относится к роду Ribes L., семейству камнеломковых Saxifragaceae Juss. Она занимает ведущее место среди ягодных культур, выращиваемых в садах Сибири. В ягодах содержится до 23% сухого вещества, до 11% Сахаров, до 2,6% кислот. Особенно ценится она за высокое содержание витамина С (в условиях Сибири порядка 150 мг %) и витамина Р - до 500 мг % (Рыжков, 1993). Ягоды смородины используются для изготовления варенья, джема, соков, вина. Кроме того, они издавна применяются Б качестве лечебного средства. Черная смородина — многолетний кустарник высотой до 1,5 м, состоящий из разновозрастных ветвей. Из почек, располагающихся в нижней части ветвей у корневой шейки, образуются побеги замещения. Сильные боковые побеги появляются из ростовых почек на нижней части ветвей. Кроме ростовых имеются смешанные почки, из которых развиваются соцветия (кисти) и ростовые побеги (плодовые веточки). Формирование плодовых почек начинается в конце июня - начале июля. Корневая система черной смородины имеет корни горизонтального и вертикального направлений. Горизонтальные корни размещаются (в зависимости от почвенных условий и сортовых особенностей) на глубине до 20-60 см. Вертикальные корни проникают на глубину до 1,5-2 м. Основная масса корней сосредоточена в поверхностном слое 10-20 см. Сибирские сорта черной смородины сравнительно зимостойкие, но в зимы с резкими понижениями температуры после оттепели, могут повреждаться плодовые почки и древесина. В результате раннего цветения черная смородина довольно часто подвергается воздействию поздних весенних заморозков. Увлажнение почвы оказывает сильное влияние на растения черной смородины, что обусловлено близким к поверхности залеганием основной массы корней. В случае переувлажнения (в низинных участках) кусты суховершинят и не плодоносят. При недостатке почвенной влаги и низкой относительной влажности воздуха рост корней и побегов очень слабый, происходит осыпание завязи, ягоды мелкие. Довольно широкое распространение на Алтае имеет жимолость съедобная, которая относится к роду жимолость Lonicera L., семейству жимолостных Caprifoliaceae Vent. Эта культура обладает высокой зимостойкостью, она скороплодна, причем плодоношение регулярно. Плоды жимолости съедобной созревают рано (вторая половина июня), что увеличивает срок потребления свежих продуктов плодоводства. В ягодах содержится до 13,2% Сахаров, 3,1% кислот, 46,8-64,5 мг % аскорбиновой кислоты, 19 % сухих веществ, 1,64 % пектиновых веществ.
Ягоды жимолости обладают ценными лечебными свойствами — применяются как сосудоукрепляющее средство, при лечении язв и болезнях печени. Плоды используются в свежем виде и для переработки на варенье, соки, вина, джемы. Кусты жимолости вырастают до 1-1,5 м; продолжительность жизни кустов порядка 20 лет. Ветви имеют серо-бурую и желто-бурую окраску. Вегетировать жимолость начинает рано. Рост побегов совпадает с началом цветения и зависит от температуры воздуха и влажности почвы, а заканчивается при созревании плодов. Более раннее, чем у других культур, окончание роста обеспечивает хорошую перезимовку растений. Даже при снижении температуры в период цветения до — 5...-7 С бутоны и цветки не гибнут. Нарастание урожая идет медленно, после созревания ягоды быстро осыпаются, что является недостатком данной культуры. Однако уже выведены сорта жимолости с неосыпающимися ягодами, например, Берель. Основная масса корней растений находится в горизонте 0-50 см, а в целом корневая система осваивает слой почвы 80-100 см. Жимолость - светолюбивое растение. В случае затенения эта культура либо слабо плодоносит, либо полностью прекращает плодоношение.
Агротехника возделывания ягодных культур
При возделывании ягодных культур в условиях довольно сурового сибирского климата для получения высоких урожаев огромное значение имеет агротехника возделывания растений. Она включает в себя не только подготовку крепкого и здорового посадочного материала, необходимую предпосадочную обработку почвы, но и дальнейший уход за самой культурой, и сохранение почвенного плодородия. Требования ягодных растений к агротехническим приемам, применяемым при возделывании, различны. Так, например, послепосадочный уход за жимолостью заключается в содержании почвы междурядий чистой от сорняков и в рыхлом состоянии. В связи с этим в НИИ садоводства им. М. А. Лисавенко производится регулярная обработка насаждений жимолости. По завершении снеготаяния, как только позволит состояние почвы, проводится ранневесеннее боронование. В дальнейшем междурядья содержатся по системе черного пара. В течение вегетационного периода, по мере появления сорняков, осуществляется междурядная обработка почвы культиваторами, глубина вспашки не превышает 4-5 см. С целью накопления талых вод в весенний период, производится осенняя вспашка до глубины 8-10 см. При уходе за смородиной учитывается возраст растений, засоренность участка, плодородие почвы и другие условия.
При несвоевременной обработке почвы и ее задернений происходит замедление роста смородины, снижается устойчивость растений к неблагоприятным условиям, прекращается образование прикорневых побегов. Обработка междурядий производится плоскорезом, причем трактор оборудуется специальным ограждением и, при проходе агрегата, ветви приподнимаются. В течение вегетационного периода междурядья содержатся по системе черного пара. В дождливое лето количество культивации увеличивается, когда лето умеренно жаркое при снижении осадков - уменьшается. Осенью производится более глубокая обработка почвы с целью повышения влагообеспеченности растений в начале весны по окончании снеготаяния. Агротехника ухода за насаждениями земляники складывается из поддержания почвы в чистом и рыхлом состоянии, поливов, внесения удобрений, удаления усов. Достичь высоких урожаев можно путем своевременного и качественного проведения агротехнических мероприятий. В течение вегетационного периода проводится от 6 до 10 рыхлений почвы, причем первые два производят с минимальным заглублением. Обработка междурядий проводится культиваторами со стрельчатыми лапами (КРН 2,8). Влажность почвы в слое 0 — 30 см должна быть не менее 70 — 75% от полной полевой влагоемкости. В связи с этим для обеспечения растений влагой производят от 3 до 5 поливов в течение вегетации по 200 м /га по мере иссушения.
Малая норма полива обусловлена тем, что при увеличении нормы полива происходит заплывание почвы, происходит её смыв, что губительно сказывается на растениях земляники. Среди ягодных культур земляника занимает ведущее место по выносу питательных веществ, следовательно, большое внимание необходимо уделять поддержанию оптимального уровня питания. Своевременное удаление усов, на долю которых приходится наибольший вынос питательных веществ, позволяет увеличить урожайность и повысить зимостойкость растений. Осуществляется удаление усов с помощью культиватора КРН — 4,2, на который устанавливаются дисковые ножи. В случаях когда высота снежного покрова недостаточна, для обеспечения благоприятных условий перезимовки растений применяют дополнительные меры по снегонакоплению, т. е. проводят снегозадержание.
