Тепловой режим и тепловые свойства почвы
Тепловой режим и тепловые свойства почвы. Тепловой режим в значительной мере определяет интенсивность механических, геохимических и биологических процессов, протекающих в почве.
Температура влияет на интенсивность химических реакций. Согласно правилу Вант-Гоффа, скорость химической реакции возрастает в 2—3 раза с повышением температуры на каждые 10°С. Поэтому в различных районах земного шара в связи с неодинаковыми термическими условиями скорости химических реакций могут отличаться во много раз. От температуры зависят растворимость газов в почвенном растворе и соотношение твердой и жидкой фаз почвы, пентизация и коагуляция коллоидов, явления сорбции и десорбции.
Известно, что распространенные минералы заметно отличаются коэффициентами объемного расширения. Эта величина, например, у полевых шпатов в 2 раза меньше, чем у кварца, поэтому при периодическом нагревании и охлаждении в минералах и породах образуются многочисленные трещины. Капиллярное давление в тонких трещинах и давление замерзающей воды в более крупных способствуют механическому разрушению минералов.
Интенсивность биохимической деятельности бактерий увеличивается с повышением температуры до 40—50°С. Выше этого предела жизнедеятельность микроорганизмов угнетается. При температуре ниже нуля биологические явления резко затормаживаются и прекращаются.
Тепловым режимом почвы называется сумма явлений теплообмена в системе приземный слой воздуха — почва — почвообразующая порода. В его характеристику также включаются процессы переноса и аккумуляции теплоты в почве.
Тепловой режим почвы обусловлен преимущественно соотношением поглощения радиационной (лучистой) энергии Солнца и теплового излучения почвы. Особенности этого соотношения определяют отличия режима различных почв. Известную роль при этом играет выделение или поглощение тепловой энергии при экзо- или эндотермических реакциях, протекающих в почве, а также внутренняя тепловая энергия нашей планеты. Однако в целом два последних источника энергии оказывают незначительное влияние на термический режим почвы.
Способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца оценивают отношением количества отраженной энергии к количеству поступающей энергии. Это отношение, выраженное в процентах, называется отражательной способностью (альбедо).
Интенсивность поглощения солнечной энергии зависит от окраски почвы, характера ее поверхности и теплоемкости. Темные почвы, богатые органическим веществом и глинистыми минералами, энергично поглощают солнечное излучение. Их отражательная способность около 15—20%. Светлые почвы (песчаные и содержащие небольшое количество органического вещества) поглощают меньшее количество солнечной радиапии — их альбедо достигает 40—45%, а в отдельных случаях еще больше.
Под теплоемкостью почвы понимают количество теплоты, необходимое для нагревания на 1°С 1 г почвы (массовая теплоемкость) или 1 см3 почвы (объемная теплоемкость). Теплоемкости твердой, жидкой и газовой частей почвы отличаются друг от друга. Для твердой фазы почвы теплоемкость равна 0,1—0,5 (минеральных компонентов — около 0,2, органических остатков — 0,4—0,5). Теплоемкость жидкой фазы составляет около 1, газовой — 0,0003. Поэтому объемная теплоемкость почвы возрастает с увеличением влажности почвы. Следовательно, для нагревания влажной почвы затрачивается больше теплоты, чем для нагревания сухой.
Излучение теплоты почвой также зависит от состава и влажности почвы и строения ее поверхности. Разность между солнечной радиацией, поглощенной поверхностью, и эффективным излучением называется радиационным балансом. Поступающее количество энергии (радиационный баланс) расходуется на испарение воды, нагревание почвы и отдачу теплоты в атмосферу. Тепловой баланс почвы можно представить в следующем виде:
где R — радиационный баланс; Q1 — количество теплоты, расходуемое на теплообмен в почве; Q2 — количество теплоты, расходуемое на теплообмен в атмосфере; Q3 — количество теплоты, расходуемое на испарение и конденсацию. В среднем годовом цикле тепловой баланс почвы равен нулю, так как не происходит нарастающего разогревания почвы или ее охлаждения.
Способность почвы проводить теплоту называется теплопроводностью; она определяет глубину нагревания и охлаждения почв. Теплопроводность воды более чем в 20 раз превышает теплопроводность воздуха, поэтому, хотя поверхность влажных почв нагревается медленнее, чем поверхность сухих, влажные почвы прогреваются на большую глубину. Биологически активное прогревание почвы соответствует глубине проникновения температуры выше 10°С. Охлаждение характеризуется проникновением температуры ниже 0°С.
Результаты систематических наблюдений за температурой Почвы на разных глубинах изображаются в виде термоизоплет — кривых, соединяющих точки одинаковых температур.
Анализ имеющихся данных показывает , что колебания суточных температур распространяются обычно до глубины одной метра (рис. 21). Сезонные колебания захватывают почву на значительно большую глубину.
В самом первом приближении можно считать, что суточным колебания температуры почв в России возрастают с севера н; юг, а сезонные колебания увеличиваются в обратном направлении. Однако местные условия — климатические, орографические и прочие — оказывают весьма сильное влияние на особенности суточных и сезонных температурных колебаний различных типов почв.
Промерзание почвы зависит от ряда причин: географического расположения данного участка, его климатических особенностей, температуры замерзания почвенного раствора, мощности снежного покрова и времени его выпадения. Глубина промерзания редко превышает 1—2 м. Следует отметить, что промерзаемость почв в известной степени регулируется лесов благодаря особому климатическому режиму под его пологом.
Существенное влияние на тепловой режим почвы оказывает растительность. Она задерживает солнечную радиацию, в результате чего, а также под влиянием транспирации температура почвы летом может быть ниже, чем температура воздуха. Особенно заметно сказывается влияние лесной растительности.
Изменение температуры почвы под лесом в значительной мере связано с ролью лесной подстилки, имеющей пониженную теплопроводность. Обнаружено, что летняя температура почвы под сосновым бором (в Приуралье) на 6,5, а под дубовым лесом (под Воронежем) на 8°С ниже, чем в почве на соседних полях. Зимой температура почвы под лесом несколько выше, а глубина промерзания меньше, чем на полях. В лесных почвах снижается амплитуда не только сезонных, но и суточных колебаний температуры.
