Воздушный и тепловой режимы почвы и его регулирование

Лекция 8

Тема - Воздушный и тепловой режимы почвы и его регулирование

План

1. Почвенный воздух и его особенности.

2. Тепловой режим почвы.

Почвенный воздух является важнейшей составной частью почвы, он тесно взаимодействует с ее жидкой и твердой фазами. Почва обладает избирательной способностью к поглощению газов. Количество поглощенного почвой воздуха тесно связано с величиной удельной поверхности, дисперсностью, гигроскопичностью, гумусностью и другими ее свойствами. В сухих почвах при влажности максимальной гигроскопичности содержится большое количество поглощенного воздуха. При быстром смачивании сухих комков почвы во время поливов или дождей воздух со значительной силой выходит наружу и разрушает почвенные комки.

Особенно большое значение в жизни растений и почвы имеют процессы миграции и превращения углекислого газа, которыми определяется направление и характер развития почвы, ее окультуривание.

Экспериментально обосновано многостороннее значение кислорода почвенного воздуха. Он поглощается корнями растений при дыхании, используется микроорганизмами и активно участвует в химических реакциях окисления.

Заполняемые водой слои почвы особенно бедны кислородом. В них господствуют анаэробные и восстановительные процессы, образующие вредные для растения продукты.

Рекомендуемые материалы

В газообразной части почвы, кроме кислорода и углекислого газа, содержатся азот и водяные пары, участвующие в круговороте веществ, мигрируя по всем трем фазам почвы.

Газообразный азот воздуха в почве при участии почвенных и клубеньковых бактерий фиксируется в различные органические вещества, от простых по составу белковых соединений до сложных образований гумусовых веществ. При минимализации органических продуктов образуются растворимые нитриты, нитраты и аммиак, а при денитрификации азот превращается в газообразную форму. Газообразный аммиак поглощается почвами и прочно удерживается от вымывания в подпахотные горизонты и грунтовые воды.

Потребность корней возделываемых культур в кислороде еще не выявлена. Гречиха, горох, кукуруза и некоторые другие культуры удовлетворительно росли в вегетационных опытах и не снижали урожая на почве, лишенной кислорода. Выросшая на такой основе кукуруза имела более развитые воздушные полости и межклеточную проводящую систему в стеблях. Многие болотные растения вполне нормально развиваются в безклеточной среде благодаря хорошо развитой воздухопроводящей ткани (аэренхима), по которой кислород легко проникает в корни. Однако имеются результаты исследований, которые отмечают, что кислород необходим для развития корней возделываемых культур. Количество усвояемого кислорода изменяется по фазам жизни растений адекватно росту корней. Кислород необходим для прорастания семян. Если в среде нет необходимой концентрации кислорода, то семена не прорастают и гибнут. Лучшей концентрацией кислорода оказалась для подзолистых почв 15-20 % состава газовой смеси. При концентрации 2,5 и 5,0 % появление проростков кукурузы задерживалось, а всходов ячменя не было. В бескислородной среде семена не прорастали, а на седьмые сутки погибли.

Полезные почвенные бактерии в большинстве относятся к группе аэробов. Группа нитрифицирующих бактерий, окисляющая аммиак до азотистой и азотной кислот, может развиваться только при непрерывном доступе кислорода. Образование в почве нитратов напрямую зависит от рыхлости почвы, и, следовательно, от снабжения кислородом воздуха. На распыленных, бесструктурных почвах, тяжелых суглинках жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий снижается до минимума. Когда господствует анаэробиозис, нитрифицирующие бактерии  прекращают свою полезную деятельность и возделываемые культуры могут испытывать острый недостаток в азотной пище.

Накопление азота и рост клубеньков на корнях бобовых культур также значительно ослабевает, если нет притока кислорода. На тяжелых бесструктурных почвах, склонных к образованию корки и значительному уплотнению, на корнях появляются очень мелкие клубеньки. Вследствие этого фиксация молекулярного азота уменьшается и бобовые культуры слабо выполняют роль азотонакопителей.

Кислород необходим свободноживущим аэробным азотфиксаторам и другим микроорганизмам, участвующим в минерализации корневых и пожнивных остатков растений, накоплении элементов минеральной пищи, образовании гумусовых веществ в почве. При недостатке кислорода в почве образуются токсичные для растений вещества, ухудшаются физические свойства и снижается содержание доступных элементов питания растений. Плодородие почвы и урожай сельскохозяйственных культур в совокупности снижаются.

Почвенный и атмосферный воздух – равновесная динамическая система, подчиняющаяся законам физики, химии и биологии. Такая система сохраняет устойчивое равновесие при данных термодинамических условиях. Однако почвенный воздух изменяет свой состав больше, чем атмосферный. Решающее значение в этом принадлежит растениям и микроорганизмам. Корни возделываемых растений выделяют углекислый газ в течение всей вегетации. При анаэробном разложении отмерших корней, запаханной дернины, растительных остатков, органических удобрений, гумуса и других органических веществ их углерод выделяется в виде углекислого газа. С увеличением в почвенном воздухе углекислого газа в нем уменьшается количество кислорода из-за потребления его растениями, аэробными микроорганизмами и другими живыми существами в почве. В разных типах почв содержание кислорода может снижаться до 2-3 %, а количество углекислого газа достигать 10 % и более.

Атмосферный воздух содержит азота 78,23 %, кислорода 20,81 %, углекислого газа 0,03 %, аргона 0,04 % , остальных газов около 0,03 %. Различия в составе атмосферного и почвенного воздуха служат показателем качества почвы и способов ее возделывания.

Состав почвенного воздуха сильно изменяется от характера угодий. На лугу кислорода меньше, чем на парах, углекислого газа и азота значительно больше. При паровой обработке почвы и внесении в нее навоза содержание кислорода в почве увеличивается.

Более резко изменяется количество углекислоты в почве. Наибольшее содержание этого газа в почве под люпином, клевером, овсянницей и другими многолетними травами. Еще в 1926 году Ляу (Германия) показывает, что вблизи корней и особенно в ризосфере в почвенном воздухе углекислоты намного больше, чем вдали от корней. Позднее это наблюдение подтверждено на многочисленных полевых культурах. Во всех случаях в почве, занятой растениями, углекислого газа значительно больше, чем на паровых полях (П.Ф. Бараков, 1931).

Изменения в составе почвенного воздуха связаны с температурой, влажностью и аэрацией почвы. С повышением температуры содержание углекислого газа в почвенном воздухе увеличивается, а кислорода уменьшается. При наибольшей температуре и при влажности завядания концентрация углекислоты самая низкая, а кислорода самая высокая.

Исследования подтвердили, что в почвенном воздухе углекислого газа больше, чем в атмосфере. В результате жизнедеятельности растений, микроорганизмов и различных процессов в почве воздух в ней непрерывно обогащается СО₂. В пахотных слоях почвы при переувлажнении или образовании корки на поверхности содержание СО₂ может достигать 5-7 % при уменьшении количества кислорода до 10-15 %.

Высокая концентрация СО₂ в почве токсична для корней растений, семена не прорастают и снижается жизнедеятельность большинства аэробных микроорганизмов. Некоторые луговые травы мирятся с повышенными концентрациями СО₂ в почве. Для большинства культурных растений однопроцентная концентрация СО₂ токсична. Если бы в природе не существовал постоянно действующий газообмен, между атмосферой и почвой, то накопление СО₂ достигло бы такой концентрации, при которой жизнь растений стала бы невозможной. Только при урегулированном газообмене возделываемые культуры находят оптимальные условия для своего развития и хорошего урожая.

Постоянство состава почвенного воздуха обусловлено хорошим газообменом между почвой и атмосферой. В воздухе количество СО₂ (около 1 %) наиболее благоприятно для многих культур, тогда как для корней такая концентрация наносила бы вред. Особенно важно повышение содержания СО₂ для растений защищенного грунта.

В атмосфере рассеяны громадные запасы углерода. При концентрации 0,03 % в полной мере удовлетворить столь большую потребность растений в этом газе можно только при быстром притоке. По расчетам А. Г. Дояренко (1963), за 10 часов дневного прироста растение потребляет весь углекислый газ из слоев воздуха толщиной 30 см. Поэтому даже при быстром передвижении СО₂ в атмосфере к месту потребления культурами может ощущаться его недостаток. В данном случае большое значение имеет углекислый газ, выделяющийся из почвы.

Количество выделяемого газа СО₂ в полевых условиях непостоянно. Это зависит от деятельности микроорганизмов, обеспеченности их органическим веществом, фосфором, кальцием и другими веществами, а также температурных, водных и воздушных условий жизнедеятельности. Влияют также вид возделываемых культур и качество обработки почвы. Определяется оно интенсивностью газообмена между почвой и атмосферой.

Выделяющаяся из почвы углекислота образуется не только в ходе биологических процессов, но она поступает в почвенный воздух при превращении: Са (НСО₃)₂ → Са СО₃ + Н₂О + СО₂, а также при действии почвенных кислот на карбонаты. Некоторое количество СО₂ может поступать из грунтовых вод и при миграции из твердой и жидкой фаз почвы.

На интенсивность газообмена оказывает влияние изменение температуры почвы. При нагревании почвы днем объем почвенного воздуха увеличивается и часть его выходит наружу. Ночью при отдаче тепла через лучеиспускание температура понижается и происходит сжатие почвенного воздуха. В силу этого часть освободившихся промежутков почвы заполняется свежим атмосферным воздухом. А. Г. Дояренко и другие считали этот фактор газообмена ведущим и постоянно действующим во всех зонах.

По-разному оценивается роль процесса диффузии газов в почве. Одни ученые этому фактору придают первостепенное значение в процессе газообмена почва-воздух. С другой стороны, П. И. Андрианов, А. Г. Дояренко и другие считают, что процесс диффузии имеет ничтожно малый масштаб.

Однако действие диффузии является постоянным фактором на всех почвах, как и влияние колебаний температур.

В. Р. Вильямс в почвенном газообмене большое значение придавал изменению атмосферного давления. При уменьшении барометрического давления почвенный воздух выходит наружу, и, наоборот, когда давление повышается, он поступает в почву.

При выпадении сильных дождей, при сходе талых вод и во время поливов почва усиленно вентилируется. Дождевая вода содержит больше кислорода и меньше углекислого газа, чем почвенная влага. При поступлении дождевой воды в почву избыток растворенного в ней кислорода будет выделяться в почвенный воздух и улучшать его состав. Однако в годовом газообмене влияние осадков не имеет большого значения. По-видимому, ветер в газообмене играет еще меньшую роль, чем вода. Однако при сильном ветре на неровной поверхности или на полях без дернины или травостоя, может быть, происходит  значительный газообмен в почве. Также слабо влияет на газообмен оседание почвы после ее обработки. При оседании почвы непрерывно уменьшается ее скважность, а если образуется корка, то беспрепятственное движение воздуха будет нарушено.

Факторы газообмена зависят от воздухопроницаемости. Она зависит от механического состава почвы, ее структуры, строения пахотного слоя и других свойств. На бесструктурных тяжелых почвах глинистых солонцах газообмен совершается очень медленно. При этом в почвенном воздухе наблюдается высокая концентрация СО₂ и преобладают восстановительные процессы. На структурных почвах при хорошем строении пахотного слоя воздухопроницаемость обеспечивает быстрый газообмен. В уплотненных почвах с тонкими капиллярами воздух и вода являются антагонистами. Вода, заполняя поры почвы, вытесняет из нее воздух. Отрицательная роль антагонизма воздуха и воды устраняется только при создании благоприятного строения пахотного слоя. При мелкокомковатом строении пахотного слоя создается наилучший воздушный режим и одновременный достаточный запас влаги.

Правильное регулирование воздушного режима необходимо во всех зонах края и на всех почвах. Особое значение оно имеет в более увлажненных районах, где почвы более уплотняются. На засоленных почвах, сильно уплотняющихся и образующих корку, надо постоянно следить за состоянием воздушного режима и регулировать его.

Возделываемые растения по разному относятся к воздушному режиму. Пропашные культуры, бобовые и овощные требуют постоянного наличия в почвенном воздухе значительных количеств кислорода и малого содержания СО₂. Но они резко повышают фотосинтез, если в воздухе над почвой много углекислоты.

Улучшают воздушный режим приемы агротехники, направленные на создание окультуренного, мелкокомковатого пахотного слоя с благоприятным строением. К ним относятся, прежде всего, высококачественная и своевременная обработка почвы. Большое значение имеют внесение органических удобрений и посев многолетних трав, обеспечивающих мелкокомковатую структуру почвы.

При необходимости улучшения воздушного режима в верхнем слое пашни во время появления корки или на некоторой глубине при глубоком заплывании и оседании распыленной почвы применяется поверхностное или глубокое рыхление культиваторами и другими рыхлящими орудиями.

Во влажных районах в понижениях применяются гребневые и рядковые способы обработки почвы и посева, которые создают хорошую аэрацию почвы и лучшие тепловые условия для возделывания растений.

Тепловой режим почвы и его регулирование

Каждый вид растений характеризуется отношением к температуре. При оптимальной температуре скорость биохимических реакций максимальная. Начинаются эти реакции при минимальных температурах, а снижаются и прекращается жизнедеятельность при максимальных. Однако эти критические температурные точки смещаются в ту или иную сторону в зависимости от соотношения других факторов жизни.

Прорастание семян, развитие корней, подающих в растение питательные вещества и воду, зависят от температуры почвы.

Минимальные и оптимальные температуры в период прорастания семян и появления всходов у различных групп растений неодинаковы (табл. 10).

Таблица 10

Интервалы температуры почвы для прорастания семян

и появления всходов, ° С

Горчица, люцерна, рожь, ячмень, овес, горох – культуры раннего срока сева, минимальная температура прорастания их семян 1-2 ° С, а появление всходов 2-3 и 4-5 ° С.

Следующая группа – культуры среднего срока сева – свекла, гречиха, люпин, а также подсолнечник и картофель. Для них соответственно минимальная температура прорастания 3-4 и 5-6 °С, а появление всходов – 6-7 и  8-9 ° С.

Кукуруза, просо, суданская трава, соя и кориандр начинают прорастать при температуре почвы 8-10 °  С, а всходы появляются при 10-12 ° С.

Самыми требовательными к теплу являются фасоль, сорго, клещевина и бахчевые, семена которых только начинают прорастать при 10-12 ° С.

Срок посева сельскохозяйственных культур определяется их биологическими особенностями и условиями внешней среды.

К культурам раннего срока посева относят горчицу, рожь, пшеницу, овес, горох, вику, сахарную свеклу. Семена начинают прорастать при температуре почвы на глубине их заделки 1-5 °С, а всходы свеклы переносят заморозки    –3 °С, гороха до –4 °С. У культур более позднего посева семена начинают прорастать при температуре 8-12 ° С, а всходы часто страдают от заморозков. В эту группу входят просо, кукуруза, суданская трава, соя, фасоль, клещевина и бахчевые.

Наиболее благоприятная температура почвы для развития корней точно не установлена. Существуют данные, что относительно пониженные температуры почвы способствуют увеличению доли корней в общем количестве синтезированного растением органического вещества.

Не меньшее значение имеют тепловые условия для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, создающих доступные растениям питательные вещества. Большая часть их развивается при температуре от 10 до 40 ° С. Различное отношение к теплу растений и почвенных микроорганизмов вызывает ранней весной у озимых культур азотное голодание, что является результатом слабой жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий.

Кроме прямого действия на растения и микроорганизмы температурный режим почвы оказывает разнообразное влияние, воздействуя на водно-воздушные режимы.

Основным источником тепла в почве является солнечная радиация (Qр). Кроме энергии солнечной радиации, тепло может поступать в пахотный горизонт от излучения атмосферы (Qд), из нижележащих слоев в результате теплообмена (Qп), а также при разложении органического вещества (Qорг), в результате выделения скрытой теплоты парообразования во время концентрации водяных паров (Qконд) и при распаде радиоактивных веществ (Qрад):

Приход = Qр + Qд + Qорг + Qконд + Qрад

Однако не вся лучистая энергия достигает поверхности почвы и аккумулируется в ней. Часть солнечной радиации отражается почвой (Qотр), излучается поверхностью почвы (Qизл), передается из верхнего пахотного слоя в глублежащие слои (Qглуб). Значительное количество тепла расходуется на испарение (Qисп), на нагревание прилегающих слоев атмосферного воздуха, на турбулентное перемещение и перенос тепла (Qтурб):

Расход = Qтр + Qизл + Qглуб + Qипс + Qтурб

На парах наибольшее количество тепла из почвы расходуется на теплообмен в системе почва-воздух. На полях, покрытых растениями, наибольший расход тепла приходится на транспирацию и испарение воды из почвы, достигает 80 % и более от солнечной радиации.

Разница между приходом и расходом тепла за тот или иной промежуток времени показывает увеличение или уменьшение количества тепла в данном слое почвы. Величина статей баланса изменяется в течение суток и по сезонам года. В ночное время из приходной части выпадает солнечная радиация (Qр), а из расходной – отраженная радиация (Qотр). Поэтому летним днем тепловой баланс положительный, а ночью отрицательный. На Ставрополье в третьей декаде июля – первой декаде августа происходит смена режима суточного теплового баланса почвы. Если с конца февраля до указанного срока среднесуточные температуры почвы и воздуха постепенно возрастают, то затем начинается процесс остывания почвы.

Наибольшие колебания температуры в течение суток и за год происходят в верхнем слое почвы.

Значительное влияние на произрастание озимых растений и на водный режим почвы оказывает промерзание и оттаивание почвы. Глубина промерзания зависит от продолжительности и температуры зимнего периода, толщины снежного покрова: чем глубже промерзание почвы, как следствие, ниже температура у узла кущения. Средняя из наибольших глубин промерзания почвы на территории края колеблется от 20 до 40 см. Наибольшая глубина промерзании почвы наблюдается на северо-востоке. Соответственно и вероятность зим с критической минимальной температурой почвы на глубине узла кущения больше на востоке. Температура почвы –18 °С и ниже почти не наблюдается, -15 ° С и ниже возможна в 5-10 % лет.

Величина и скорость поступления в почву тепла и его расхода в значительной степени зависят от свойств почв, ее лучепоглотительной и отражательной способностей; теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности.

Отражательная способность почвы (альбедо) измеряется отношением количества отраженной коротковолновой энергии, выраженной в процентах, к общему притоку лучистой энергии на поверхность почвы. Гладкая и сухая поверхность отражает больше лучей, чем неровная и влажная. Альбедо сухого чернозема равно 14 %, влажного – 9 %, зеленой травы – 20-23 %, овса, вики, гороха – 20 %. Наибольшей отражательной способностью обладает снег.

Лучепоглотительная способность определяется по разнице между суммой поглощения и альбедо, где суммарная разница равна 100, а альбедо – А, то есть 100-А. Больше поглощают тепла почвы темноцветные с неровной поверхностью южной экспозиции и без растительности.

Теплоемкость почвы – количество тепла, необходимое для нагревания на 1 ° С 1 см³ (объемная) или 1 г почвы (весовая). Объемная теплоемкость (С) может быть выражена произведением удельной теплоемкости (С) на объемную массу почвы (d), то есть С = с · d. Она зависит от теплоемкости твердой фазы почвы и соотношения объемов, занимаемых твердой, жидкой и газообразной фазами. Наибольшей теплоемкостью обладает вода, наименьшей – воздух. Промежуточное положение занимает твердая фаза почвы. Если теплоемкость воды принять за 100, то весовая теплоемкость песка составит – 19,6; глины – 23,3; торфа – 47,7. Наименьшую теплоемкость имеет воздух – 0,03, что в 3300 раз меньше теплоемкости воды. Тяжелые серые почвы прогреваются медленно и они называются холодными. Лучше прогреваются легкие по механическому составу относительно серые почвы. Изменяя строение пахотного слоя, можно уменьшать или увеличивать объемную теплоемкость.

Теплопроводность почвы (λ) измеряется количеством тепла в малых калориях, протекающего в одну секунду через площадь в 1 см² через слой толщиной в 1 см при разнице температур на обеих сторонах слоя 1 °. Теплопроводность зависит от соотношения физических фаз почвы. Наименьшую теплопроводность имеет воздух (λ = 0,00005). Теплопроводность воды в 28 раз, а твердой фазы в 80 раз больше, чем воздуха. Поэтому с увеличением пористости и аэрации теплопроводность уменьшается. Сухие почвы, богатые гумусом и обладающие высокой порозностью, очень плохо проводят тепло. Теплопроводность сухого суглинка в 6,5 раз меньше, чем насыщенного водой.

Температуропроводность почвы (К) – скорость изменения температуры, прямо пропорциональная теплопроводности и обратно пропорциональная теплоемкости: К = λ /С, где К – коэффициент температуропроводности, С – объемная теплоемкость почвы, λ – теплопроводность.

Для жизнедеятельности растений важно не столько количество тепла, сколько его скорость прогревания и охлаждения. С увеличением влажности почвы ее теплоемкость и теплопроводность возрастают, температуропроводность сначала резко повышается, а затем становится более или менее постоянной.

Несмотря на малую теплопроводность, температуропроводность воздуха во много раз больше, чем воды, так как теплоемкость воздуха ничтожна. Чем меньше теплоемкость, чем больше теплопроводность, тем выше температуропроводность. Почвы с более плотным строением и небольшим содержанием влаги имеют высокую температуропроводность.

Весьма многосторонняя связь теплового режима с водным, воздушным и питательным режимами. С повышением температуры почвы усиливается передвижение парообразной влаги. При резком понижении температуры ночью происходит конденсация паров на поверхности почвы или на границе рыхлого и плотного ее слоев.

Повышение температуры почвенной влаги снижает растворяемость газов, в частности углекислоты, понижение – повышает ее.

Нагревание воздуха в почве усиливает диффузию газов, нагретый воздух выходит наружу, а свободные поры занимает атмосферный воздух. Высушивание почвы сопровождается коагуляцией почвенных коллоидов и понижением дисперсности, увеличением растворимости органических веществ, возрастают в водной вытяжке растворимые соединения азота и фосфора.

При промораживании почвы кристаллы льда разрывают и расширяют поры, вследствие чего почва становится менее связной и легко крошится при обработке. Однако при высокой влажности почвы промораживание понижает водопроницаемость и вызывает выпирание перезимовавших растений.

Повышение активности микроорганизмов в благоприятных тепловых условиях ускоряет разложение органического вещества и образование доступных для растений форм питательных веществ.

Приемы регулирования можно условно разделить на три группы:              1) лучшее использование основных и дополнительных источников тепла; 2) сохранение и уменьшение расхода тепла; 3) устранение перегрева почвы.

Люди также интересуются этой лекцией: Современная литература Франции.

Для лучшего использования солнечной радиации имеет значение правильное размещение культур по элементам рельефа. Более теплолюбивые культуры необходимо располагать на склонах южной экспозиции, а холодостойкие – на северных склонах. Гребни и гряды лучше прогреваются, легче освобождаются от излишней воды в таких случаях. Хотя в ночное время гребни и гряды отдают больше тепла, чем плоская поверхность почвы, все же тепловой баланс складывается благоприятнее.

Поступление тепловой энергии солнца может быть увеличено обработкой почвы и регулированием водно-воздушного режима. Вспаханная почва аккумулирует больше тепла, чем необработанная. В конце лета и осенью почва на Ставрополье остывает, приток тепла меньше, а влага движется из слоев теплых к более холодным. Поэтому нулевая зяблевая обработка, по сравнению с традиционной поздней зяблевой и полупаровой, лучше накапливает влагу и стабильна во все годы.

Для уменьшения расхода тепла из почвы проводят снегозадержание. Благодаря низкой теплопроводности снежный покров хорошо сохраняет тепло в почве и защищает ее от переохлаждения. Это особенно важно для перезимовки озимых культур, многолетних трав.

В ясную погоду почва за ночь настолько переохлаждается, что на ее поверхности могут быть заморозки. Мерами по предупреждению заморозков служат дымовые завесы. Дым, водяные пары в приземном слое воздуха предохраняют почву от лучеиспускания и переохлаждения.

Важное комплексное воздействие на тепловой режим оказывают полезащитные лесонасаждения, создавая микроклимат, уменьшая суточную и годовую амплитуду колебания температуры приземного слоя воздуха и почвы. Между лесными полосами температура приземного слоя воздуха несколько ниже, чем в открытой степи.

Структурные почвы хорошего строения мало испаряют воды, хорошо прогреваются и сохраняют тепло в глубоких слоях.