Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о температурном поле почв и закономерностях его формирования. Краткий обзор 17
1.1. Факторы формирования температурного поля почв 18
1.2. Тепловые свойства почвы и их связь с основными физическими свойствами 31
1.2.1. Теплоемкость почвы
1.2.2. Теплопроводность и температуропроводность почвы 34
1.3. Методы расчетной оценки тепловых свойств почвы по ее основным свойствам 44
1.3.1. Метод расчетной оценки теплоемкости почвы 44
1.3.2. Современные методы расчетной оценки теплопроводности и температуропроводности почвы 48
1.4. Современные подходы к математическому моделированию температурного режима почв 55
Глава 2. Объекты и методы исследований 70
2.1. Агросерые почвы Владимирского ополья (Суздальский р-н Владимирской обл.) 70
2.1.1. Экспериментальные участки и их взаимное расположение 79
2.1.1.1. Методика отбора образцов для лабораторных исследований 81
2.1.1.2. Методика проведения режимных наблюдений 83
2.1.1.3. Методика исследований латеральной изменчивости температуры в почвенном покрове 86
2.2. Агросерые почвы правобережья р. Оки (Серпуховской р-н Московской обл.) 92
2.2.1. Экспериментальный участок. Методика проведения полевых измерений и отбора образцов для лабораторных исследований 94
2.3. Дерново-подзолистая почва (пос. Чашниково Московской обл.)... 95
2.3.1. Экспериментальные площадки. Методика отбора образцов для лабораторных исследований 97
2.3.2. Методика проведения полевых наблюдений 98
2.4. Модельные почвы в больших лизиметрах Почвенного стационара МГУ ж!\ 99
2.4.1. Экспериментальные площадки 101
2.4.2. Методика проведения режимных наблюдений и отбора образцов для лабораторных исследований 102
2.5. Методика проведения лабораторных исследований 103
2.5.1. Определение температуропроводности почвы методом регулярного режима 104
2.5.1.1. Теоретические основы метода регулярного режима 104
2.5.1.2. Практическая реализация метода регулярного режима . 106
2.5.1.3. Варианты осуществленных модификаций методики проведения лабораторных экспериментов но методу регулярного режима 110
2.5.2. Лабораторные методы определения основных почвенных
свойств 112
2.5.2.1. Метод лазерной дифрактометрии 113
2.6. Методика проведения расчетов 114
2.6.1. Методика параметризации экспериментальных зависимостей температуропроводности от влажности 114
2.6.2. Методы статистического анализа данных 114
2.6.3. Расчетные методы определения температуропроводности почвы по полевым данным 115
2.6.4. Методика моделирования температурного режима почвы 119
3.1. Температуропроводность агросерых почв Владимирского ополья (Суздальский р-н Владимирской обл.)
3.2. Температуропроводность дерново-подзолистой почвы (УОПЭЦ «Чашниково», Солнечногорский р-н Московской обл.) 141
3.3. Температуропроводность модельных почв в больших лизиметрах Почвенного стационара МГУ 155
3.4. Соотношение между лабораторными характеристиками и температуропроводностью почвы in situ 164
Глава 4. Результаты полевых исследований 171
4.1. Результаты полевых исследований для комплекса агросерых почв Владимирского ополья (Суздальский р-н Владимирской обл.) 171
4.1.1. Результаты режимных наблюдений 171
4.1.1.1. Суточная динамика температуры агросерых почв на площадках «Сутки-1,2» 171
4.1.1.2. Годовая динамика температуры агросерых почв на площадках «Сезон-1, 2» 178
4.1.1.3. Годовая динамика температуры аїросерьіх почв на
участке «Поле 3» 180
4.1.2. Результаты исследований латеральной изменчивости температуры агросерых почв в почвенном покрове Владимирского ополья 191
4.1.2.1. Распределение температуры агросерых почв вдоль трансекты между площадками «Сезон-1» и «Сезон-2» 191
4.1.2.2. Изменчивость температуры агросерых почв на участке «Поле 2» 198
4.1.2.3. Латеральная изменчивость температуры аїросерьіх почв в масштабе сельскохозяйственного поля 200
4.1.2.4. Латеральная изменчивость температуры агросерых почв в масштабе опытной делянки 205
4.1.2.5. Функционирование комплекса агросерых почв в условиях пологого склона ^ 208
4.1.2.5.1. Расположение сопряженных агросерых почв в современном и палео- микрорельефе ...^Я^Ж 208
4.1.2.5.2. Латеральное распределение содержания углерода в пахотном слое аїросерьіх почв 211
4.1.2.5.3. Латеральное распределение температуры глубоких слоев почвы 213
4.1.2.5.4. Физические свойства исследованных почв 216
4.1.2.5.5. Целюллозолитическая активность сопряженных почв 223
4.2. Результаты полевых исследований для агросерых почв правобережья р. Оки (Серпуховской р-н Московской обл.) 229
4.3. Результаты нолевых исследований для дерново-подзолистой почвы 239
4.4. Результаты полевых исследований для модельных почв в больших лизиметрах Почвенного стационара МГУ 255
Глава 5. Математическое моделирование температуропроводности почвы 5.1. Параметризация лабораторных зависимостей температуропроводности исследованных почв от влажности 266
5.2. Корреляционные связи между основными физическими свойствами агросерых почв и параметрами лабораторных зависимостей температуропроводности почвы от влажности 277
5.3. Построение и проверка моделей, позволяющих рассчитывать температуропроводность почвы 289
Глава 6. Математическое моделирование динамики температурного поля почв в комплексном почвенном покрове 299
6.1. Моделирование температурного режима почвенного профиля 299
6.1.1. Моделирование суточной динамики температуры дерново-подзолистой почвы 301
6.1.2. Моделирование сезонного охлаждения модельной почвы 310
6.1.3. Моделирование годовой динамики температуры агросерых почв 315
6.2. Математическое моделирование пространственного распределения температуры почв в комплексном почвенном покрове 321
6.2.1. Моделирование пространственного распределения температуры почв на основе подхода «горизонт-температуропроводность» 321
6.2.2. Моделирование пространственного распределения температуры почв на основе подхода «свойства-тсмпсратуропроводность» 324
Основные выводы 327
Список литературы
- Теплопроводность и температуропроводность почвы
- Методика исследований латеральной изменчивости температуры в почвенном покрове
- Методика параметризации экспериментальных зависимостей температуропроводности от влажности
- Результаты исследований латеральной изменчивости температуры агросерых почв в почвенном покрове Владимирского ополья
Введение к работе
Актуальность темы исследования В современном почвоведении активно развивается структурно-функциональное направление, в основе которого лежит рассмотрение различных аспектов функционирования почвы в тесной взаимосвязи с ее структурой (строением) на различных уровнях организации, в том числе на уровне почвенного покрова. Теоретические основы структурно-функционального подхода разработаны в трудах Б.Б. Полынова (1934, 1956), В.М. Фридланда (1965, 1972, 1984), Б.Г. Розанова (1977, 1989), Ф.И. Козловского (1978, 1991, 1992), Л.О. Карпачевского (1972, 1977, 1997), А.Д. Воронина (1984, 1986), М.А. Глазовской (1964, 1988), Г.В. Добровольского и Е.Д. Никитина (1986, 1990), Е.А. Дмитриева (1993, 1994) и многих других исследователей. Предложено понятие функциональной структуры почвенного покрова и сформулировано положение о связи морфологической структуры почвенного покрова с функциональной структурой (Козловский, 1991). Показано, что существуют устойчивые связи между структурой почвенного покрова и особенностями функционирования его отдельных участков (Карпачевский, 1972, 1977; Козловский, 1978 и др.). Поставлен вопрос о первичности функциональной структуры по отношению к морфологической структуре и сформулированы представления о роли обратных связей между структурой почвенного покрова и особенностями функционирования его отдельных участков (Карпачевский, 1972, 2003; Козловский, Горячкин, 1993). В физике почв наблюдается рост количества публикуемых работ, основанных на трехмерном подходе (Горячкин, 2005) По отношению к комплексному почвенному покрову Владимирского ополья высказано предположение, что наблюдаемые особенности пространственного распределения почвенных свойств определяются процессами, «запущенными» много тысяч лет назад, но сохранивших свою пространственную структуру, а возможно, и «работоспособность» до настоящего времени (Дмитриев, 2000).
В центральной части Русской равнины комплексность почвенного покрова широко распространена (Величко, 1965; Тюрюканов, Быстрицкая, 1971; Григорьев и др., 1973; Рубцова, 1975; «Бюллетень...», 1975; Фридланд, 1978, 1984; Алифанов, 1995; Макеев, 2005; Сорокина, 2006 и др.). Территории, занятые комплексами агросерых почв, интенсивно используются в сельскохозяйственном производстве (Иванов и др., 2000; Трифонова, Романов, 2000; Кирюшин, Иванов, 2003). Поэтому задача выявления закономерностей функционирования комплексного почвенного покрова в масштабе сельскохозяйственного поля, выделения элементарных ареалов агроландшафта, характеризующихся среди прочих показателей одинаковыми микроклиматическими условиями (Кирюшин, 1993, 2000), приобретает все большую актуальность в связи с развитием точного земледелия, а также в связи с проблемой устойчивости почвенных комплексов в условиях интенсивной агрогенной нагрузки.
В теории пространственно-временной организации почвенного покрова в настоящее время активно развивается концепция полей почвообразования как факторов этой организации (Апарин, 2007). Среди геофизических полей почвообразования выделяется температурное поле почв - «совокупность значений температуры во всех точках данного объема почв, изменяющихся во времени» (Остроумов, Макеев, 1985). Заметим, что о необходимости «подтянуть» научное обобщение материалов по термическому режиму почв для развития генетического направления почвоведения писал еще И.П. Герасимов (1959), подчеркивая ключевую роль водно-теплового режима в формировании всех остальных почвенно-климатических явлений.
Температура почвы является одним из ключевых факторов, определяющих функционирование и продуктивность агроэкосистем (Тольский, 1901; Шульгин, 1940; Степанов 1948; Горышина, Макаревич, 1973 и др.).
Многочисленными исследованиями установлено, что именно температура почвы, а не воздуха, имеет решающее значение в начальный период жизни растений (Шульгин, 1967). Большое значение в сельском хозяйстве имеет климат почвы зимой. Температура почвы, ее влажность и глубина промерзания оказывают существенное влияние на перезимовку культурных растений и на накопление почвенной влаги весной, которое в значительной мере определяет сроки проведения полевых работ. С температурой поверхности почвы тесно связан микроклимат растительного покрова и интенсивность эвапотранспирации (Сох, Boersma, 1967; «Физика среды обитания растений», 1968; Bachmann et al., 2001 а); температура определяет процессы, происходящие с органическим веществом почвы (Арчегова, 1984; Дергачева, 1989; Орлов и др., 1997); от температуры зависит эффективность вносимых удобрений (Дадыкин, 1951; Дубовик, 1956; Журбицкий, 1963; Weber, Caldwell, 1964; Филимонов, Стрельникова, 1979; Никитишен и др., 1998, 2007 и др.). Практически все протекающие в почве процессы, в том числе физические, накладываются на непрерывные изменения температуры активного слоя почвы. Температура определяет величины энергии взаимодействия твердой и жидкой фазы почвы, энергии поверхностного натяжения, для растворов - энергии сорбции и констант термодинамического равновесия (Файбишенко, 1983; Воронин, 1986; Шеин, 2005 и др.).
Температура влияет на гидрофизические характеристики почвы (Hopmans, Dane, 1985; Liu, Dane, 1993; Bachmann et al., 2002), в том числе на смачиваемость почвы (de Jonge et al., 1999), величину коэффициентов фильтрации (Jaynes, 1990) и ненасыщенной гидравлической проводимости (Constantz, 1982), а в итоге на скорость инфильтрации воды в почву (Jaynes, 1990; de Jonge et al., 1999; Lin et al., 2003) и интенсивность ее испарения с поверхности почвы (Qiu et al., 1999). Температура определяет скорости протекания внутрипочвенных химических реакций и активность почвенной биоты (Мишустин, 1925; Великанов и др., 1971; Radmer, Кок, 1979; Афонина, Усьяров, 1984; King, Adamsen, 1992; Grundmann et al., 1995; Scanlon, Moore, 2000; Nielsen et al., 2001; Христенко, Шатохина, 2002; Курганова, Типе, 2003; Parkin, Kaspar, 2003 и др.). Кроме того, температурные градиенты являются причиной термопереноса почвенных растворов (Taylor, Cavazza, 1954; Тараканов, 1955; Ончуков, 1956; Абрамова, 1958; Глобус, 1962; Сагу, Taylor, 1962; Кулик, 1963; Сагу, 1965; Rose, 1968; Weeks et al., 1968; Joshua, 1973; Nassar et al., 1997) и газов (Александров и др., 1996). В литературе обсуждается влияние температуры на самые разные стороны функционирования почв, приводящее к закономерному изменению почвенных свойств (Федорова, 1970; Федорова, Ярилова, 1972; Коковина, Лебедева, 1986; Лепорский и др., 1990; Скворцова, Сапожников, 1998; Караваева и др., 1998; Конищев, 1998; Бахлаева и др., 2002; Базыкина и др., 2007).
При анализе и математическом моделировании функционирования комплексного почвенного покрова возникает задача получения информации о пространственном распределении температуры почв и о динамике этого распределения. Трудоемкость получения экспериментальных данных о динамике температуры почв определяет необходимость разработки методов расчетной оценки температуры, позволяющих вместо экспериментальных данных использовать «суррогаты» (Hamblin, 1991; Smettem et al., 2004), т. е. данные, полученные расчетным, в каком-то смысле искусственным способом, на основе использования доступных и относительно дешевых метеоданных и данных об основных физических свойствах интересующих почв. Принцип «превращения данных, которые у нас есть, в данные, которые нам нужны», сформулированный Й. Боумой (Вошла, 1989), наилучшим образом характеризует одну из основных задач математического моделирования в современном почвоведении - задачу наиболее полного использования имеющейся экспериментальной информации в аналитических, прикладных и прогностических целях.
Современные математические методы и технические возможности современного программирования позволяют выявлять взаимосвязи функционирования комплексного почвенного покрова с его структурой на качественно новом уровне, анализируя закономерности пространственного распределения почвенных свойств и сопоставляя их с режимами функционирования почвенных разностей (McBratney и др., 2000, 2002; Михеева, 2001; Pachepsky, Rawls, 2004; Медведев, 2007; Шеин, Карпачевский, 2007). Методы имитационного математического моделирования позволяют проводить однофакторные машинные эксперименты, анализируя роль отдельных факторов в формировании температурного поля почв комплексного почвенного покрова.
Цель исследования - выявить основные закономерности пространственного распределения температуры агросерых почв в комплексном почвенном покрове (на примере почв Владимирского ополья и южного Подмосковья).
Задачи исследования: • оценить латеральную вариабельность температуры пахотных почв в почвенном покрове Владимирского ополья; • исследовать и сопоставить температурный режим почв с контрастным строением профиля в суточной и годовой динамике; • исследовать роль микрорельефа и пространственного распределения физических свойств почв в формировании температурного поля комплексного почвенного покрова; • выявить закономерности в характере зависимостей температуропроводности от влажности для гумусовых и минеральных горизонтов легко- и среднесуглинистых агросерых почв, в том числе почв со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ); • обосновать способ расчетной оценки температуропроводности почвы по данным о ее физических свойствах с применением педотрансферных функций (ПТФ); • применить полученные ПТФ для выявления в комплексном почвенном покрове зон с различной температуропроводностью почвы; • разработать физически обоснованную математическую модель, позволяющую рассчитывать динамику температурного поля в комплексном почвенном покрове.
Научная новизна На основе детального исследования температурного режима почвенного покрова Владимирского ополья впервые выявлены закономерные различия в годовой динамике температуры составляющих покров почв.
Показано, что формирование температурного поля пахотных почв в комплексном почвенном покрове определяется морфологической структурой почвенного покрова, обусловливающей его функциональную структуру. Обнаружено, что пестрота почвенного покрова Владимирского ополья сопровождается выраженной латеральной изменчивостью температуропроводности составляющих покров почв.
Сформулирована гипотеза, объясняющая устойчивость реликтовых признаков в современном ландшафте, в том числе в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования, различиями режимов функционирования почвенных разностей.
Предложена новая эмпирическая формула для аппроксимации экспериментальных зависимостей температуропроводности почвы от влажности, позволяющая формализовать сопоставление подобных зависимостей для различных почвенных объектов. Предложена физическая интерпретация параметров аппроксимации, обосновывающая применение этих параметров для количественной характеристики качественных особенностей экспериментальных кривых и анализа физических механизмов формирования этих особенностей.
Получены ПТФ, позволяющие выявлять в комплексном почвенном покрове зоны различной температуропроводности по данным о плотности, влажности и содержании органического углерода.
Защищаемые положения Температурное поле комплексного почвенного покрова Владимирского ополья является закономерно латерально неоднородным: глубокие слои почв с ВГТ являются более холодными, чем глубокие слои почв с минеральными подпахотными горизонтами, в течение вегетационного периода и более теплыми — в осенне-зимний период. • Для комплекса почв Владимирского ополья характерны закономерные различия в температуропроводности подпахотных горизонтов: наименьшей температуропроводностью обладает ВГТ, наиболее высокой - элювиальный горизонт. Различия в температурном режиме почв, относящихся к контрастным участкам комплексного почвенного покрова, определяются температуропроводностью почвенных горизонтов при различном строении профиля. • Параметры предложенной аппроксимационной функции однозначно характеризуют диапазон изменчивости температуропроводности с влажностью и форму экспериментальных зависимостей. Разработанный расчетный метод позволяет выявлять в комплексном почвенном покрове зоны с различной температуропроводностью на основе данных почвенно-агрофизического опробования.
Практическая значимость диссертации Результаты исследований могут быть использованы при разработке современных научно-обоснованных агротехнологий. Разработанные алгоритмы могут применяться при проектировании искусственных почвенных конструкций, функционирующих в полевых и регулируемых условиях. Предложенные ПТФ могут быть использованы при создании почвенных субстратов с заданными тепловыми свойствами. Разработанная динамическая имитационная модель температурного режима почвы может служить основой при выборе оптимальных регулируемых условий функционирования почвенных объектов. Кроме того, предложенная модель может служить источником расчетных входных данных о температуре почв, необходимых для математического моделирования переноса влаги и веществ в почвенном покрове. Выявленные закономерности функционирования пахотных почв, обусловленные влиянием агрофизических свойств почвы на ее локальный климат, должны учитываться при рациональном использовании территорий со сходным строением почвенного покрова. Разработанный метод прогнозной оценки температурного поля почвы может служить математическим средством оценки устойчивости агроэкосистем при антропогенных воздействиях и глобальных изменениях климата.
Полученные результаты используются на факультете почвоведения МГУ при чтении курсов лекций «Физика почв», «Математическое моделирование в почвоведении», «Теория теплообмена в почвах», при проведении практических занятий по курсу «Математическое моделирование в почвенно-ландшафтных исследованиях», а также в большом практикуме по физике почв. Материалы работы вошли в методическое руководство «Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв» (2001), а также в коллективные монографии «Наземный мониторинг экосистем» (2005) и «Теории и методы физики почв» (2007).
Проведение исследований было поддержано РФФИ (проекты 98-04-48365, 01-04-48066, 02-04-48864, 04-04-49606, 07-04-00131).
Апробация работы Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены автором на II (Санкт-Петербург, 1996), III (Суздаль, 2000), IV (Новосибирск, 2004) и V (Ростов-на-Дону, 2008) съездах Докучаевского общества почвоведов, на международных и всероссийских конференциях «Физика почв и проблемы экологии» (Пущино, 1992), «Лизиметрические исследования почв» (Москва, 1998), «Экология речных бассейнов» (Владимир, 1999), «Современные проблемы опытного дела» (Санкт-Петербург, 2000), «Опыт агрометеорологического обеспечения аграрного сектора экономики» (Обнинск, 2000), «Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли» (Пущино, 2001), «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001), «Гидроморфные почвы - генезис, мелиорация и использование» (Москва, 2002), «Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов» (Казань, 2003), «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва, 2003), «Биосферные функции почвенного покрова» (Пущино, 2005), «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 2005), «Cryosols: genesis, ecology and management» (Архангельск-Пинега, 2005), «Экспериментальная информация в почвоведении: теория, методы получения и пути стандартизации» (Москва, 2005), «Почвоведение и агрохимия в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2006), «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2006), «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (Санкт-Петербург, 2007), «Организация почвенных систем» (Пущино, 2007), на Ломоносовских чтениях в МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2003), на научной сессии по фундаментальному почвоведению (Москва, 2004), на XIII и XIV школах «Экология и почвы» (Пущино, 2005, 2006), на совместном заседании I и VI комиссий Докучаевского общества почвоведов (Москва, Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 2005), на заседании научного семинара «Почва во времени и пространстве» (Москва, ИГ РАН, 2006), на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, МГУ им. М.В, Ломоносова, 2007).
Публикации По теме диссертации опубликовано 80 работ, в том числе 4 монографии, 15 статей в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ на соискание степени доктора наук, 36 статей в прочих журналах, продолжающихся изданиях и сборниках.
Личный вклад автора Автором сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования, проанализированы результаты, сделаны итоговые выводы. Автор спланировала и организовала проведение полевых экспериментов и лично принимала участие в осуществлении этих экспериментов. Лабораторные ) исследования выполнены лично автором либо (около 5 % от общего объема) под руководством автора. Математическая часть работы, включающая статистическую обработку полученных данных, построение математических моделей, написание необходимых программ полностью выполнена автором.
Благодарности Автор выражает искреннюю благодарность своим учителям и коллегам Е.В. Шеину, А.Д. Воронину, Е.А. Дмитриеву, М.А. Мазирову, А.Б. Умаровой, А.К. Губеру, В.А. Капиносу, Ф.Р. Зайдельману, Л.О. Карпачевскому, И.И. Судницыну, A.M. Глобусу, А.О. Макееву, Е.Ю. Милановскому, Е.В. Достоваловой, Н.Б. Хитрову, О.И. Худякову, М.В. Прохорову, М.А. Бутылкиной, В.Г. Тымбаеву, А.В. Дембовецкому, Б.А. Девину, 3. Тюгай, М.И. Васильевой, Ю.В. Егорову, А.С, Никифоровой, А.В. Кириченко, А.П. Шварову за помощь и поддержку на различных этапах выполнения работы.
Теплопроводность и температуропроводность почвы
Конвекция связана с перемещением внутрипочвенного воздуха и влаги относительно порового пространства и переносом их внутренней энергии с последующим теплообменом с неподвижной частью почвы. Примером конвективного теплообмена может служить просачивание в почву холодной влаги осадков, ведущее к охлаждению почвы. Наоборот, поступление в почву горячей воды из охладительной системы электростанций приводит к повышению температуры почвы и является одним из приемов тепловой мелиорации. Конвективный теплообмен может и не быть связан с поступлением влаги извне. В определенном диапазоне увлажнения, соответствующем подвижной почвенной влаге, может происходить активное перемещение почвенной влаги в направлении, обратном температурному градиенту. Перемещение жидкой влаги происходит благодаря капиллярному и пленочному механизмам. Капиллярное движение почвенной влаги определяется уменьшением поверхностного натяжения с ростом температуры и, соответственно, уменьшением капиллярного всасывания. С изменением натяжения при изменении температуры связано и перемещение почвенной влаги по пленкам на поверхности почвенных частиц в сторону большего поверхностного натяжения. Поступление влаги изначально иной температуры в некоторый объем почвы и теплообмен поступившей влаги с почвой, находящейся в данном объеме, приводит к перераспределению тепла в почве в целом. В конвективном переносе тепла может участвовать не только жидкая, но и газовая фаза почвы; например, холодный ночной воздух передвигается по почвенным порам вниз, а более теплый и более легкий воздух из глубины почвы поднимается вверх по почвенному профилю. Очевидно, что перенос тепла, связанный с перемещением внутрипочвенного воздуха, не может быть сколько-либо существенным из-за низкой плотности газовой фазы и малой длины свободного пробега молекул воздуха в почвенных порах.
Перенос скрытой теплоты связан с фазовыми переходами влаги в почве и изменением ее состояний и включает в качестве одной из стадий конвективный (связанный с движением жидкой воды и пара как целого) или диффузионный (связанный с движением отдельных молекул водяного пара против градиента концентрации) перенос тепла. Перемещение парообразной влаги связано с тем, что давление насыщенного водяного пара возрастает с увеличением температуры. Поэтому наличие внутрипочвенного градиента температуры приводит к возникновению градиента давления водяного пара, и пар перемещается от теплых областей почвы к холодным путем диффузии. При испарении воды в теплой части почвы тепло поглощается, затем посредством диффузии пар перемещается в более холодную область с пониженным давлением водяного пара. Но, поскольку водяной пар в почве всегда бывает насыщенным, дополнительное поступление пара в холодную область приводит к локально перенасыщенному состоянию и неизбежной конденсации с выделением тепла. При этом уход молекул пара из теплой области порового пространства сопровождается локальным понижением давления водяного пара, которое компенсируется новым испарением с новым поглощением тепла. Поглощение скрытой теплоты испарения в теплой части почвы, ее перенос в холодную часть и выделение там в качестве теплоты конденсации приводит к выравниванию почвенных температур. Сходные процессы происходят при перемещении почвенной влаги, когда при этом изменяется ее состояние. При передвижении подвижной влаги в область сильного иссушения почвы и превращения ее в связанную влагу выделяется теплота смачивания. По-видимому, несколько меньшее поглощение или выделение теплоты происходит и при любых других изменениях потенциала почвенной влаги. Говоря о переносе скрытой теплоты, следует упомянуть и о преобразованиях внутрипочвенного тепла при фазовых переходах «вода-лед». При промерзании почвы выделяется теплота замерзания, препятствующая дальнейшему охлаждению почвы в диапазоне температур ниже 0С. Напротив, при протаивании значительное количество поступающего в почву тепла тратится на разрушение кристаллических связей между молекулами льда, и благодаря этому перенос тепла в более глубокие слои почвы происходит с некоторым запаздыванием.
Излучение, или радиационный перенос тепла, связано со свойством всех тел испускать тепловое излучение, длина волны которого и интенсивность зависят от температуры тела. Более холодные участки почвы излучают слабее, чем более нагретые. Поэтому более холодные участки за единицу времени получают больше радиационной энергии, чем испускают. В результате в почве происходит радиационный теплообмен. В переносе внутренней энергии посредством излучения участвуют все три почвенные фазы. Но, поскольку плотность газовой фазы много меньше плотности твердой и жидкой фаз, число излучающих центров в почвенном воздухе несравнимо меньше числа излучателей в твердой и жидкой фазах, и величина радиационного теплообмена газовой фазы пренебрежимо мала. Поэтому в практических целях можно полагать, что в радиационном теплообмене участвуют лишь твердая и жидкая фазы почвы.
Методика исследований латеральной изменчивости температуры в почвенном покрове
Были проведены следующие серии измерений. В 2000 г. измеряли температуру почвы вдоль трансекты длиной 12 м, соединявшей экспериментальные площадки «Сезон-1» и «Сезон-2». В 2001 г. исследовали пространственную изменчивость температуры на поле 2. В 1999-2000, 2001 и 2003 гг исследования проводили на основном опытном поле («поле 1»). Экспериментальные участки 1999 и 2001 гг. отмечены на рис. 2.1; участок 2003 г. находился в непосредственной близости от картированной территории, но за ее пределами.
В начале июля 2000 г. температуру почвы измеряли вдоль трансекты длиной 12 м, проходившей через экспериментальные площадки «Сезон-1» и «Сезон-2». Эта трансекта пересекала как серые лесные почвы со вторым гумусовым горизонтом, так и серые лесные почвы. Летом 2000 г. исследованные делянки были заняты посевами озимой пшеницы: высота растений к моменту проведения измерений составляла около 60 см. Вдоль трансекты с шагом 1 м на глубине 20 см были установлены стационарные датчики электротермометра «Дана-терм-1501». Температуру на глубинах 2 и 50 см измеряли, используя этот же электротермометр с портативным датчиком-щупом. Температуру измеряли в течение недели 3-8 раз в день в зависимости от погоды. После окончания температурных исследований 6 июля в точках установки стационарных датчиков элсктротермометра отобрали образцы почвы для определения плотности, содержания углерода и влажности. Образцы отбирали в слое 0-50 см с шагом по глубине 10 см. В точках отбора образцов были сделаны прикопки и описан почвенный профиль до глубины 50 с
В июле 2001 г. и в мае 2002 г. исследовали пространственную вариабельность температуры почв ополья при различных видах сельскохозяйственной обработки. Измерения проводили на поле 2, на котором в 1999-2000 гг. выращивалась озимая рожь, а в 2001 г. - яровая пшеница. На ноле были выделены три делянки размерами 7x30 м, различавшиеся историей сельскохозяйственных обработок. Делянка 1 осенью 1999 г. была обработана обычной вспашкой на глубину 20 - 22 см. Осенью 2000 г. после уборки урожая на делянке I была проведена поверхностная вспашка на глубину 10-12 см. На делянке 2 осенью 1999 г. была проведена двухъярусная обработка на глубину 27 - 30 см и был внесен слой стерни мощностью 5—7 см. Осенью 2000 г. делянка 2 обрабатывалась так же, как делянка 1. На делянке 3 осенью 1999 г. осуществлялась вспашка на глубину 20 - 22 см, а осенью 2000 г. производилось глубокое рыхление на глубину 25 - 27 см. Осенью 2001 г. все делянки обрабатывались точно так же, как и осенью 2000 г. - т. е. на делянках 1 и 2 была проведена поверхностная вспашка, а на делянке 3 - глубокое рыхление.
В июле 2001 г на каждой делянке было выделено по десять точек, на которых проводили измерения температуры почвы. Температуру почвы на глубине 20 см измеряли утром и вечером с помощью стационарных датчиков. Измерения температуры на глубине 50 см проводили днем, используя портативный электротермометр-щуп ТЭТ-ЦПп. В мае 2002 г. на этих же делянках была измерена температура почвы на глубине 50 см и отобраны образцы с глубины 30 см для определения содержания органического углерода в верхней части подпахотного слоя.
В 1999 и 2000 гг. исследования латерального распределения температуры почв ополья проводили на поле 1, на участке размером 63x63 м (рис. 2.1). Агрофизические свойства почв участка и характеристики их латеральной изменчивости приведены в работе (Шеин и др., 20016). Температуру почвы на глубине 50 см измеряли в 40 точках опробования по сетке с размерами ячейки 7x21 м, привязанной к серединам опытных делянок. Глубина 50 см была выбрана, чтобы исключить влияние суточных колебаний температуры. Температуру в первой точке измеряли повторно в конце работы, чтобы убедиться, что она не изменилась. Использовали портативный электротермометр-щуп ТЭТ-2. Измерения проводили в середине лета 1.07.1999 г., в конце лета 19.08.1999 г. и весной 22.04.2000 г. По той же сетке 3.07.1999 г. А.К. Губером и его сотрудниками была определена влажность почвы па глубинах 20, 40, 60 и 80 см методом нейтронной влагометрии. Был использован влагомер ВГГГР-1. В июле большая часть участка (32 делянки) находилась под многолетними травами - клевером с тимофеевкой, а полоса из 8 делянок была занята вико-овсяной смесью. В августе и апреле весь участок находился под черным паром.
В 2001 г. было проведено подробное исследование распределения температуры в почвенном покрове непосредственно в области перехода от почвы с BIT к почве с минеральным подпахотным горизонтом. Для этого в пределах ранее изученного участка была выделена площадка в области мощного языка ВГГ, достигавшего глубины 86 см (рис. 2.1). Размер выделенной площадки составил 4x5 м. Измерения температуры проводили по сетке с шагом 1 м, что составило по 30 измерений для каждой глубины. Температуру на глубине 50 см измеряли 23.07.2001 г., а на глубинах 70 и 100 см - 24.07.2001 г. Использовали портативный электротермометр-щуп ТЭТ-ЦІ 1п. В процессе бурения скважины для щупа описывали почвенный профиль и отбирали образцы с глубин 10, 30, 50, 70 и 100 см для последующего определения влажности и содержания органического углерода. В 2001 г. поле 1 было засеяно озимой пшеницей; к моменту измерений высота растений составляла около 1 м. Накануне проведения измерений площадка была выкошена и прикрыта скошенной пшеницей.
Методика параметризации экспериментальных зависимостей температуропроводности от влажности
Метод лазерной дифрактомстрии применяется для измерения распределений по размерам частиц в дисперсных средах и основан на явлении рассеяния лазерного луча на попавших в луч частицах. В результате рассеяния луч отклоняется от своего первоначального направления, причем угол отклонения определяется размером частицы, на которой произошла дифракция. Рассеянные лучи затем фокусируются с помощью оптической линзы на детекторе, установленном в фокальной плоскости линзы. Параметры дифракционной картины, формирующейся в плоскости детектора, зависят от размеров тех частиц, на которых произошло рассеяние. Поэтому математическая обработка и расшифровка возникающей в плоскости детектора дифракционной картины позволяют судить о характере распределения частиц изучаемой смеси по размерам. В современных лазерных анализаторах обработка и расшифровка дифракционной картины производится в автоматическом режиме - с помощью поставляемого вместе с прибором программного обеспечения.
Определение распределения частиц по размерам проводили в соответствии с методикой, описанной в работе Шеина с соавт. (Шеин и др., 2006). Использовали лазерный анализатор размеров частиц "Analysette 22". Перед проведением дифрактометрических измерений почвенную суспензию диспергировали ультразвуком в течение 3 мин в 0.1% растворе Na4P20?. Затем эту суспензию заливали в измерительную ячейку лазерного анализатора. В процессе производства измерений жидкость с взвешенными в ней почвенными частицами прокачивалась на большой скорости через плоскую кювету, размещенную на пути луча перпендикулярно ему.
Методика параметризации экспериментальных зависимостей температуропроводности от влажности образом Подбор параметров, наилучшим образом описывающих зльнои кр 2.5.3.2. Методы статистического анализа данных ._ экспериментальные точки, полученные для данного образца, осуществляли, используя блок Regression Wizard электронной таблицы SigmaPlot 2001. Оценку качества аппроксимации проводили, используя в качестве критерия среднеквадратическую относительную ошибку аппроксимации экспериментальных данных модельной кривой. Эту ошибку рассчитывали в той же электронной таблице. Макаре
Статистический анализ данных проводили с использованием пакета STATISTICA 6.0. Наличие связи между различными свойствами почвы оценивали, рассчитывая коэффициенты корреляции Пирсона и Спирмена. Регрессионный анализ проводили, применяя методы пошаговой pei-рессии и метод главных компонент. При сравнении лабораторных характеристик использовали непараметрический парный Т-критерий Уилкоксона. При сопоставлении полевых данных для разных почв использовали непараметрический критерий Краскела-Уоллиса (Лакин, 1990; Тюрин, Макаров, 1998).
Альтернативой лабораторным методам может служить расчетное определение температуропроводности почвы с использованием полевых данных о динамике температуры в пределах почвенного профиля. Приведем два способа расчетов: первый основан на использовании аналитического решения уравнения теплопроводности для периодического верхнего краевого условия; второй сводится к численному решению обратной задачи теплопроводности и не требует каких-либо ограничений для условий на поверхности. /L = Л ехР
Аналитический метод. Теоретичесг ие основы. Метод основан на использовании первого закона Фурье (Тихонов, Самарский, 1966), описывающего затухание амплитуды колебаний температуры почвы с глубиной. Пусть на поверхности почвы установились гармонические колебания температуры с периодом г и амплитудой А о
Результаты исследований латеральной изменчивости температуры агросерых почв в почвенном покрове Владимирского ополья
Каждый из них основан не на определении (дефиниции) температуропроводности, а на предположении о закономерностях развития температурного поля почвы и связи динамики температуры почвы с температуропроводностью последней. Если в реальности предположения, положенные в основу теоретического обоснования метода, нарушаются, то и итоговая расчетная формула неизбежно дает ошибку - ошибку данного метода. Так, например, теория регулярного режима, на которой основан метод Кондратьева, использует понятие эффективной температуропроводности, объединяющей все механизмы переноса тепла в почве, включая связанные с движением почвенной влаги. При реализации этого метода на практике радиальный перенос влаги и соответственно перенос тепла с влагой не реализуется в полной мере из-за ограниченности размеров образца. Поэтому величина эффективной температуропроводности, полученная методом Кондратьева, оказывается заниженной. По-видимому, величина ошибки метода связана с размером используемых цилиндров. Можно ожидать, что в области низких влажностей ошибка метода Кондратьева должна быть меньше, чем в области подвижной почвенной влаги.
Вместе с тем к рассчитанным из полевых данных величинам тоже следует относиться с осторожностью, поскольку эти расчеты основаны на достаточно жестких предположениях о характере распространения тепла в почве, которые далеко не всегда выполняются в природе. А.Ф. Чудновский (1948) называл метод определения температуропроводности по 1 закону Фурье «прекрасным по идее, но практически порочным», обращая внимание на непостоянство тепловых характеристик во времени и пространстве и на негармоничность реальных температурных волн, распространяющихся в почвенной толще.
Аналитический метод, основанный на использовании первого закона Фурье, предполагает, что колебания температуры почвы имеют строго синусоидальный характер и что свойства почвы не изменяются с глуоиной и во времени. Ошибка метода связана с тем, что оба эти предположения на практике не выполняются. Численный метод не требует таких жестких предположений; для проведения вычислений достаточно, чтобы в течение выбранного малого промежутка времени температура почвы менялась незначительно, а теплофизические характеристики были постоянными в пределах выделенного слоя. Эти условия выполняются тем лучше, чем меньше будет выделенный слой и промежуток времени. Но при этом уменьшаются и градиенты температуры, входящие в расчетную формулу (2.19). При уменьшении градиентов температуры до величин, сравнимых с точностью измерений, ошибка определения температуропроводности будет увеличиваться. Поэтому при использовании численных методов приходится искать компромисс между стремлением к выполнению условий квазистационарности потоков тепла и необходимостью оставаться в области значимых градиентов температуры.
Несмотря на расхождения между лабораторной и полевой температуропроводностью, указывающие на наличие систематических ошибок у использованных методов, лабораторные характеристики верно отражают соотношение между температуропроводностью различных почвенных горизонтов и различных участков почвенного покрова. Как будет видно из данных полевых исследований (см. главу 4), почвы с более высокой лабораторной температуропроводностью быстрее прогреваются и быстрее охлаждаются в реальности, и это отражается в их температурном режиме.
Результаты полевых исследований для комплекса агросер Владимирского ополья (Суздальский р-н Владимирской обл.)
Погодные условия в период проведения измерений на площадках «Сутки-1» и «Сутки-2» и в течение двух недель перед этим были экстремально жаркими и сухими (табл. 4.1). В июне среднемесячная температура воздуха превысила среднемноголетнюю для этого месяца почти на 4С; максимальное значение температуры воздуха, отмеченное 9.06, достигло 31.5С. В период 2-26.06 осадков не было. Сухому жаркому июню предшествовал прохладный май, во время которого выпало почти полторы среднемноголетней майской нормы осадков. Благодаря этому почва ко времени эксперимента еще не успела окончательно пересохнуть, за исключением тонкого приповерхностного слоя.
После первой серии измерений, проведенной в естественных условиях сухого жаркого лета, влажность была несколько меньше на площадке «Сутки-1», за исключением глубины 30-35 см (табл. 4.2). Приповерхностный слой пахотного горизонта на обеих площадках был иссушен; взвешивания испарителей показали, что почва практически ничего не испаряла.
