Содержание к диссертации
Введение
Раздел I. Краткий обзор исследований, составляющих теоретические и экспериментальные основы мелиорации почвы Якутии 9
Выводы 12
Раздел 2. Агроклиматическое обоснование сроков проведения тепломелйоративных мероприятий, применяемых в ран-невесенний период для ускорения протаивания и прогревания почвы в условиях Центральной Якутии .13
2.1. Постановка задачи -
2.2. Метод климатического обоснования тепломелйоративных мероприятий 15
2.3. Расчет климатически оптимальных сроков проведения тепломелйоративных мероприятий 19
2.3.1. Механическое удаление снеаного покрова -
2.3.2. Мульчирование почвы светопрозрачноы полимерной пленкой, вслед за механическим удалением онеиного покрова 24
2.3.3. Ускорение таяния снежного покрова 29
2.4. Оценка изменчивости оптимальных сроков 32
Выводы 41
Раздел 3. Теоретический анализ влияния тепломелйоративных мероприятий на протаивание и прогревание мерзлотной почвы при проведении их в климатически обоснованные сроки 42
3.1. Постановка задачи -
3.2. Математическая модель для описания влияния ран-невесенних снежных мелиорации на тепловой режим почвы .43
3.3. Реализация модели в климатических условиях Центральной Якутии 49
3.4. Анализ влияния ранневесенних снежных мелиорации на тепловой режим мерзлотной почвы 57
3.4.1. Контрольный вариант .
3.4.2. Механическое удаление снежного покрова 61
3.4.3. Ускорение таяния снежного покрова . 62
3.4.4. Мульчирование почвы светопрозрачной пленкой вслед за механическим удалением снежного покрова
3.5. Проверка модели. . 66
Выводы 71
Раздел 4. Агроклиматическое обоснование глубины посадки при гребневом способе возделывания картофеля 72
4.1. Постановка задачи.
4.2. Математическая модель для описания влияния гребнистой поверхности на протаивание и прогревание почвы
4.3. Анализ протаивания и прогревания почвы под гребнями в ранневесенний период в условиях Центральной Якутии ?8
Выводы 90
Раздел 5. Экспериментальное изучение влияния приемов мелиорации на тепловой режим почвы. 9I
5.1. Обоснование эксперимента
5.2. Методика наблюдений 93
5.3. Характеристика опытного участка 94
5.4. Проведение тепломелиоративных мероприятий 96
5.5. Влияние тепломелиоративных мероприятий на про-таивание и прогревание почвы в ранневесенний период.
5.5.1. Механическое удаление снежного покрова
и ускорение его таяния и схода . -
5.5.2. Мульчирование почвы светопрозрачной пленкой 109
5.5.3. Гребневание почвы. -
5.6. Полевой опыт по ускорению сроков посадки картофеля ПО
5.6.1. Обоснование опыта -
5.6.2. Схема и условие опыта. -
5.6.3. Результаты опыта ИЗ
5.6.4. Экономическая эффективность ускорения сроков посадки картофеля . -
Выводы 116
Раздел 6. Рекомендации по климатическому обоснованию приемов тепловой мелиорации мерзлотной почвы в условиях
Центральной Якутии 117
Заключение 122
Литература 124
Приложение 137
- Краткий обзор исследований, составляющих теоретические и экспериментальные основы мелиорации почвы Якутии
- Метод климатического обоснования тепломелйоративных мероприятий
- Математическая модель для описания влияния ран-невесенних снежных мелиорации на тепловой режим почвы
- Математическая модель для описания влияния гребнистой поверхности на протаивание и прогревание почвы
- Характеристика опытного участка
Введение к работе
В северных районах Сибири в свете мер по реализации Продовольственной программы стали актуальными поиски путей и методов эффективной тепловой мелиорации мерзлотной почвы. Климатические условия северных районов характеризуются наличием вечной мерзлоты, продолжительной, морозной зимой, коротким безморозным периодом, холодной почвой. В указанных районах проведение тепломелио-ративных мероприятий, особенно в ранневесенний период, является одним из необходимых условий успешного возделывания овощей и картофеля. В последнее время в связи с экономией топливно-энергетических ресурсов внимание практиков привлекают приемы тепловой мелиорации, основанные на использовании тепла естественных факторов, прежде всего солнечной радиации. В настоящей работе рассматриваются именно такие приемы тепловой мелиорации, предназначенные для ускорения протаивания и прогревания почвы вранневесенний период в условиях северного района. К ним относятся ускорение таяния снега путем напыления зачерняющими материалами; механическое удаление снежного покрова; сочетание удаления снега и мульчирования почвы светопрозрачной пленкой; гребневание мерзлотной почвы. Тепломелиоративные мероприятия, предусматривающие ускорение таяния и удаление снежного покрова, объединены под общим названием "Ранневесенние снежные мелиорации".
Цель работы - агроклиматическое обоснование приемов тепловой мелиорации мерзлотной почвы в условиях Центральной Якутии.
Основные задачи;
I. Обосновать сроки проведения ранневесенних снежных мелиорации в климатических условиях Центральной Якутии. - б -
2. Исследовать влияние ранневесенних снежных мелиорации на протаивание и прогревание мерзлотной почвы путем математического моделирования на ЭВМ,
Изучить аналогичным путем влияние гребнистого микрорельефа поверхности на протаивание и прогревание почвы при близком залегании вечной мерзлоты,
Провести полевой эксперимент по ускорению весеннего прогревания мерзлотной почвы.
Составить рекомендации по агроклиматическому обоснованию приемов тепловой мелиорации почвы.
Методика исследований включает в себя анализ процессов теплообмена между почвой и воздухом; математическое моделирование с применением ЭВМ; полевой эксперимент по мелиорации почвы; полевой опыт по оценке хозяйственной эффективности тепловой мелиорации; проведение машинного и полевого экспериментов с соблюдением принципа единственного различия изучаемых вариантов.
Научная новизна работы
Разработан метод расчета климатически оптимальных сроков проведения ранневесенних снежных мелиорации. Эти сроки обеспечивают наибольшее ускорение протаивания и прогревания почвы в ранний весенний период.
Установлены климатически оптимальные сроки проведения ранневесенних снежных мелиорации в условиях Центральной Якутии,
Определена потенциальная тепломелиоративная эффективность ранневесенних снежных мелиорации.
Установлено, что под гребнистой поверхностью почвы кривая пространственного хода среднесуточного значения термического эффекта характеризуется точкой максимума.
Практическая ценность работы.
Составлены рекомендации по расчету текущих сроков проведения ранневесенних снежных мелиорации в Центральной Якутии.
Полученные данные о потенциальной тепломелиоративной эффективности ранневесенних снежных мелиорации позволяют осуществить агроклиматическую оценку территории Центральной Якутии при применении указанных мероприятий.
Обоснована по термическому фактору глубина посадки картофеля при гребневой культуре его возделывания.
Реализация работы. Рекомендации по расчету сроков проведения ранневесенних снежных мелиорации переданы МСХ Якутской АССР. Они позволяют ускорить сроки посадки картофеля на 7-Ю дней с экономическим эффектом до 0,4- тыс.руб на га. В совхозах республики заделка клубней картофеля при гребневой культуре производится о учетом результатов моделирования. Результаты работы использованы также при составлении рекомендаций по интенсификации полевого и лугового кормопроизводства в долине реки Амги.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых и специалистов Института физ.-техн.проблем Севера ЯФ СО АН СССР /1978,1979 гг./, Института мерзлотоведения СО АН СССР /1979 г./, на Всесоюзном совещании по долгосрочной программе развития производительных сил Якутской АССР /1979 г./, Ш Респ. научно-практ. конференции моло-. дых ученых и специалистов /1980 г./ и респ.семинаре картофелеводов /1980 г./.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 10 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения и приложения; содержит всего 148 стр., в том числе - 92 стр. машинописного текста; 36 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 146 наименований.
Диссертационная работа выполнена в период 1975-1984 гг. по теме: "Исследование тепло- и массообменных процессов в материалах и дисперсных средах при фазовых превращениях и умеренно низких температурах. Теплофизика инженерных сооружений в районах Крайнего Севера" /Гос.per. № 74044957/.
Автор приносит глубокую благодарность доктору техн.наук Д.А.Куртенеру и кандидату техн.наук П.й.Филиппову - научным руководителям работы, Г.Г.Попову, П.П.Пермякову, В.И.Неймохо-вой за помощь в реализации математических моделей на ЭВМ, А.В.Андрееву, В.Д.Шестакову, Д.М.Кириллину, принимавшим участие в метеорологических наблюдениях полевого эксперимента.
Краткий обзор исследований, составляющих теоретические и экспериментальные основы мелиорации почвы Якутии
Исследования по мелиорации климата почвы восходят к трудам основателя агроклиматологии А.И.Воейкова / 21 /. В конце XIX века впервые им выдвинута научно обоснованная идея об управлении температурой почвы и воздуха.
Широкие исследования климата почвы и возможностей его регулирования в различных географических зонах страны были начаты в 20 - 30-х годах текущего столетия сетью агрометеорологических станций, научными учреждениями гидрометеорологического и сельскохозяйственного профиля. Эти исследования обобщены в работах А.М.Шульгина /136/, А.К.Шкадовой /134/, В.Н.Димо /37/, И.А.Голь-цберг /30/, Н.Н.Яковлева /137/, В.А.Моисейчик /74/, Е.С.Улановой /118/, Н.И.Синициной, И.А.Гольцберг, Э.А.Струнникова /108/, В.Н.Адаменко /3/ и др.
С 30-х годов,интенсивно развивается физико-математический подход к проблеме формирования и регулирования климата почвы, который открыл новые возможности для глубокого анализа процессов и дал теоретическую основу их рационального управления. Это направление представлено исследованиями А.Ф.Чудновского, СБ. Нерпина, Б.П.Александрова, А.В.Куртенера, Д.А.Куртенера, И.Б. Ускова /4, 5, 66-68, 77, 125-129/, М.И.Будыко /16,17/, М.Е.Бер-лянд /10/, Д.Л.Лайхтмана /69/, Н.Ф.Бондаренко /ІЗ/, О.Д.Сиротен-ко /109/, Э.Г.Палагина /83/, Е.Д.Королькова /60/, В.В.Шабанова /130/ и др. Исследованию климата почвы и его регулированию посвящен ряд работ зарубежных авторов /35, 122, 138-146/.
В последнее время мелиорация климата почвы рассматривается в комплексе с программированием урожаев, общие принципы которого изложены в работе И.С.Шатилова и А.Ф.Чудновского /131/.
В частности показана целесообразность разработки на первых порах моделей отдельных технологических процессов, основанных на принципах оптимального управления и учитывающих агрометеорологические условия на сельскохозяйственном поле.
Агрометеорологическому обоснованию технологических процессов в земледелии посвящены работы А.П.Федосеева /120/, Д.Х.Беле-нького /9/, В.А.Платонова /90/ и др. Данная проблема в экономическом аспекте исследована Е.Е.Жуковским /43/ и др.
Научная задача о тепловой мелиорации почв "в областях вечной «ерзлоты и глубокого зимнего промерзания" была поставлена в начале XX века П.й.Колосковым /53/. Впервые им была установлена возможность повышения температуры холодных почв при рациональном сельскохозяйственном освоении земель зоны многолетней мерзлоты и глубокого сезонного промерзания.
Метод климатического обоснования тепломелйоративных мероприятий
Данный раздел посвящен агроклиматическому обоснованию сроков проведения ранневесенних снекных мелиорации, а также приема мульчирования почвы светопрозрачной полимерной пленкой, которые могут применяться для ускорения протаивания и прогревания почвы, и создания более благоприятных условий для вегетации сельскохозяйственных культур в условиях северных районов. Далее под ранневесенними снежными мелиорациями будем понимать улучшение теплового резшма почвы в ранневесенний период путем механической уборки или удаления снежного покрова, ускорения его таяния и схода, а такке мульчирования почвы пленкой вслед за уборкой снега.
В последние годы в северных районах неуклонно увеличивается практический интерес именно к указанным приемам тепловой мелиорации, позволяющим эффективно использовать в ранневесенний период тепло солнечной радиации, интенсивно поступающей в условиях резко континентального климата.
По различным аспектам сне&ных мелиорации проводились обширные исследования, которые в основном представлены работами Г.Д. Рихтера /94/, А.М.Шульгина /136/, В.А.Моисейчик /74/, Н.Н.Яковлева /137/, а такке В.В.Крючкова /61/, А.И.Колчина /54/, А.Тит-лянова, Е.Лебедевой /116/ и др. Приемы снекных мелиорации нашли отражение в инструкциях по оттайке мерзлых горных пород /22,52/. Особенности влияния снежного покрова на температуру почвы и подстилающих её горных пород были анализированы еще в работах А-И. Воейкова /21/ и М.И.Сумгина /ИЗ/. В последние годы этот вопрос детально изучали В.А.Кудрявцев /62/, А.В.Павлов /81/, М.К.Гав-рилова /25/, А.Л.Арэ /6/, И.А.Некрасов /76/ и др. Климатическая характеристика снежного покрова Якутии дана в справочных издани-ях Госкомгидромета /51,111,112/ в работе И.Д.Копанева /58/, М.К. Гавриловой /24/ и др.
Мульчированию почвы полимерными пленками посвящены исследования Н.Г.Захарова, Г.Г.Семикиной /44/, Н.М.Вишнякова /20/, Й.А. Иоффе, А.П.Широбоковой /49/ и др. Микроклимат культивационных сооружений с покрытием из пленок исследовали В.А.Колясева, Т.Е.Пащенко, О.Д.Рожанская /55/ и др. Эффективность полимерных пленок для выращивания овощей в климатических условиях Якутии изучали Г.И.Тараканов, Ю.С.Кудряшов, М.А.Перлов, Т.А.Перлова, Л.А.Голи-саев, Л.П.Голисаева /63,92,93,114,115/. Влияние мульчирования полимерными пленками на мерзлотный режим почвы и горных пород исследовали А.В.Павлов, Б.А.Оловин /81,82/, Г.И.Сморыгин /ПО/ и др. Опыт применения прозрачных пленок для ускорения оттаивания горных пород в условиях Крайнего Севера обобщен во "Временной инструкции ..." /23/.
Математическая модель для описания влияния ран-невесенних снежных мелиорации на тепловой режим почвы
Модель для анализа влияния снежных мелиорации на тепловой режим почвы строится на основе модели теплового режима почвы из работы /66, 67/. Необходимо, чтобы она позволяла прогнозировать тепловые режима почвы, возникающие при механическом удалении снежного покрова, ускорении его таяния и мульчировании почвы пленкой, а также в случае отсутствия этих мелиорации. Используя полученные данные, нужно установить и изучить термические эффекты, которые характеризуются следующими показателями:
Вначале рассмотрим возможные пути моделирования естественного теплового режима мерзлотной почвы. Необходимо воспроизводить тепловой режим почвы в период, охватывающий в своем начале наиболее ранние оптимальные сроки проведения рассматриваемых снежных мелиорации,а в конце наступление активной вегетации растений, Данную задачу удобно осуществить в три последовательных этапа, разделенные сроками начала и конца таяния снега. На первом этапе моделируется тепловой режим почвы под снежным покровом в зимний период, на втором в период таяния снега, и на третьем -после его схода. При этом снежный покров представляется как термическое сопротивление. В модели охватывается весь слой годовых колебаний температуры, мощность которого составляет 15-20 м /78/. Начальные условия для второго и третьего этапов вытекают из решения предыдущих.
Почва рассматривается в виде квазиоднородной слоистой среды с эффективными теплофизическими свойствами, не зависящими от температуры. Перенос тепла в талой и мерзлой зонах почвы можно описать дифференциальными уравнениями эквивалентной теплопроводности с переменными коэффициентами:
Математическая модель для описания влияния гребнистой поверхности на протаивание и прогревание почвы
Математическая модель для описания влияния- гребнистой поверхности на тепловой режим почвы формулируется с соблюдением принципа единственного \ различия сравниваемых вариантов. Модель может реализовать 2 варианта. Первый вариант это тепловой режим почвы с ровной поверхностью, который принимается в качестве контрольного. Второй вариант отображает тепловой режим почвы, который возникает в результате нарезки гребней на указанной почве с ровной поверхностью. Варианты отличаются только одним - микрорельефом поверхности, и как следствие, граничными условиями теплообмена. По остальным параметрам они одинаковы.
При изменении рельефа поверхности существенно усложняется математическое описание теплового режима почвы. Возникает двухмерная задача, решение которой связано с большими трудностями. В нашем случае она усуглубляется тем, что необходимо учесть фазовый переход почвенной влаги. Ввиду этого обычно принимают некоторые ограничения, не меняющие существа задачи.
Рассматриваются одинаковые и параллельные друг другу гребни, образованные на открытом или защищенном грунте. Их схема показана на рис. 4.1. Предполагается, что размеры участка с гребнистой поверхностью во много раз превышают высоту и расстояние между гребнями. Исходя из практики земледелия в северных районах, гребни считаются расположенными по полуденной линии или по направлению север-юг, при котором они лучше прогреваются.
Имея в виду указанное направление гребней, и то, что задача рассматривается в среднесуточном плане, можно допустить, что обе склоны гребней за сутки получают одинаковое количество солнечной радиации, одинаковыми величинами характеризуются также суммы других составляющих теплового баланса склонов. Другими словами, граничные условия теплообмена на склонах модели гребней принимаются одинаковыми.
Характеристика опытного участка
Опытный участок находился на середине территории Центральной Якутии.Подробная климатическая характеристика этого района дана в работе М.К.Гавриловой /24/. Здесь климат резко континентальный, с большими годовыми колебаниями температуры и относительно малым количеством выпадающих осадков. Зима продолжительная, сильно морозная, малоснежная с характерной малой облачностью и большим числом штилей. В январе отмечается самая низкая среднемесячная температура -43С. Абсолютный минимум тем- пературы -64С. Средняя температура июля достигает 19С. Абсолютный максимум 38С. Среднегодовая амплитуда температур составляет 62, абсолютная - 102.
Центральная Якутия расположена в области сплошного развития многолетнемерзлых пород. Их мощность в районе Якутска 300-400м. Температура на глубине затухания годовых её колебаний -2 -3с. За лето почва успевает протаивать всего на 1,8-2,0 м /78/.
Продолжительность безморозного периода в долине р.Лены 90-100 дней. Однако, в отдельные годы заморозки возможны в тече-ниє всего этого времени. Период со средней температурой выше при зачерненйи его поверхности мульчей (измельченным бурым углем).
Почва опытного участка лугово-черноземная легкосуглинистая. Мощность гумусированного горизонта 0,20 0,30 м. Под ним почва представлена песками с прослойками супеси.
Проведение тепломелиоративных мероприятий. Механическое удаление снежного покрова производили бульдо зером ДТ-75 на площадках размером 18x4-0 м . Для мульчирования почвы светопрозрачной пленкой была выб р рана площадка размером 6x6 м . На ней снежный покров убрали ло р патой. После этого поверхность почвы на площади 4X4 іг покрыли пленкой, заранее натянутой на раму из деревянных реек сечением р 0,05х0,05 м . Для предотвращения испарения почвенной влаги наружные стороны рамы обложили грунтом. Для ускорения таяния снега были определены площадки разме р ром 18X40 м . Поверхность снежного покрова покрыли измельченным бурым углем в расчете 0,08 - 0,11 кг/м . Эта работа была выполнена при помощи трактора МТЗ-80 с навесным разбрасывателем удобрений НРУ-0,5. Для определения указанного расхода мульчи отдельно были проведены наблюдения за альбедо снежного покрова. Полученные данные представлены на рис. 5.2. Было установлено, что наиболее рационально снижение. альбедо примерно до 30 %. Снижать его дальше не следует, т.к. резко увеличивается расход мульчи.
