Почва находится в постоянном контакте с атмосферой и подвержена воздействию атмосферного климата. Важный элемент этого воздействия —  постоянный приток к поверхности почвы солнечной радиации. При этом часть тепла поглощается почвой и идет на ее нагревание, а часть отдается в атмосферу в результате излучения. Поступление тепла в почву и его отдача в атмосферу — явления динамичные. Они определяются суточными и сезонными изменениями в поступлении солнечной радиации и в большой степени зависят от свойств самой почвы. Тепловое состояние почвы характеризуется показателями температуры ее генетических горизонтов.

 Совокупность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла  называется тепловым режимом почвы. Тепловой режим, вместе с водным определяют динамику почвообразовательных процессов. Температура выступает как важный фактор интенсивности химических, физико-химических, биохимических и биологических процессов в почве. С ней связаны растворение и осаждение различных соединений в почве, жизнедеятельность микроорганизмов и почвенной фауны. Тепло- необходимый фактор роста и развития растений. От температурных условий почвы зависят развитие и продуктивность сельскохозяйственных культур: прорастание семян, развитие корневых систем, быстрота прохождения отдельных стадий, интенсивность фотосинтеза. Недостаток теплообеспеченности почв может выступить как главный фактор снижения продуктивности  растений и даже их гибели. Поэтому важно знать закономерности формирования температурного режима и приемы его регулирования. Тепловые свойства и тепловой режим почв детально изучены А. П. Байковым, А. Ф. Чудновским, М. И. Будыко, А. М. Шульгиным, В. Н. Димо и другими исследователями.

 ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА В ПОЧВЕ

 Лучистая энергия солнца (солнечная радиация) — главный источник тепла в почве. Небольшое количество тепла почва получает из глубинных слоев Земли и за счет химических, биологических и  радиоактивных процессов, протекающих в верхних слоях литосферы. Тепло, образующееся при разложении органических веществ (навоза, растительных остатков, бытовых городских отходов и др.), широко используют в практике овощеводства закрытого грунта.

 Лучистая энергия солнца, поглощаясь поверхностью почвы, превращается в тепловую и передается в нижележащие слои почвы. Часть солнечной энергии отражается поверхностью почвы. Если температура поверхности почвы ниже, чем температура приземного слоя атмосферы, то почва отдает тепло, аккумулированное за счет поступившей солнечной радиации. В зависимости от соотношения количества поглощенной поверхностью почвы лучистой энергии и излученного тепла почвенная поверхность будет или нагреваться или охлаждаться. Это, в свою очередь, скажется на тепловом состоянии и нижележащих слоев почвы. Чем больше разность температуры поверхности почвы и ее глубоких слоев, тем больше уходит тепла из почвы или поступает в нее. Следовательно, поверхность почвы — важное активное условие формирования теплового состояния почвы. Количество поглощенного и излученного тепла поверхности почвы зависит от ее состояния: окраски, агрегированности, затенения растениями, увлажнения и др.

 Количество солнечной  радиации, притекающей к поверхности почвы, зависит от географического положения и условий рельефа местности, а также времени года и суток, состояния атмосферы (облачно, ясно и пр.). В Северном полушарии суммарный приток солнечной радиации увеличивается при движении с севера на юг.  В умеренных широтах в околополуденные часы приток солнечной радиации на ровную поверхность составляет  0,8—1,5 кал/см² мин. Наряду с особенностями поверхности почвы на ее температурное состояние, нагревание и охлаждение большое влияние оказывают тепловые свойства почвы.

 ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

 К тепловым свойствам почвы относятся: теплопоглотительная способность, теплоемкость и теплопроводность.

 Теплопоглотительная способность — способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца. Она характеризуется величиной Альбедо (А). Альбедо — количество коротковолновой солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы и выраженное в % от общей солнечной радиации, достигающей поверхности почвы. Чем меньше альбедо, тем больше поглощает почва солнечной радиации. Альбедо зависит от цвета, влажности, структурного состояния, поверхности почвы и растительного покрова. (табл. 39).

Темные, богатые гумусом почвы поглощают больше солнечной радиации, чем светлоокрашенные, а также влажные по сравнению с сухими.

 Теплоемкость (С) — свойство почвы поглощать тепло. Характеризуется количеством тепла в калориях, необходимого для нагревания единицы массы 1 г или объема 1 см³ на 1 °С. В связи с этим различают весовую (или удельную) и объемную теплоемкость почв.

 Теплоемкость почвы зависит от минералогического и механического состава, содержания органического вещества, влажности почвы, ее  пористости и содержания воздуха (табл. 40).

Поскольку вода более теплоемка по  сравнению с минеральными и органическими компонентами почвы, то для повышения температуры влажной почвы требуется больше тепла, чем для сухой. Влажные почвы медленнее нагреваются и медленнее охлаждаются, сухие быстрее нагреваются и быстрее охлаждаются. Глинистые почвы как более теплоемкие во влажном состоянии по сравнению с песчаными, весной медленнее нагреваются. Осенью при большем увлажнении они медленнее охлаждаются и становятся теплее песчаных. Изменяя влажность и пористость почвы поливами и обработкой, можно в определенных пределах регулировать температуру почвы.

 . Теплопроводность — способность почвы проводить тепло. Это очень важное свойство почвы, от которого зависит скорость передачи тепла от одного слоя к другому. Измеряется количеством тепла в калориях, которое проходит в 1 с через 1 см² слоя почвы толщиной 1 см. В почве наряду с твердой фазой - органической и минеральной - содержатся в порах воздух и вода. Поэтому и передача тепла может в отдельных участках осуществляться через минеральные и органические частицы и разделяющие их воду и воздух. Каждая из этих составных частей почвы обладает разной теплопроводностью:

Теплопроводность минеральной части в среднем в 100 раз больше, чем воздуха, а воды — в 28 раз. Поэтому чем влажнее почва, тем больше ее теплопроводность, а чем рыхлее - тем меньше. Летом при просыхании верхнего слоя почвы его теплопроводность уменьшается и, как следствие, уменьшается и передача тепла из  верхнего слоя вниз. При накапливании влаги в почве в осеннее время в ней создаются запасы тепла, предохраняющие всходы озимых посевов от вымерзания при появлении ранних заморозков.

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ

 Тепловой режим почв формируется под влиянием атмосферного климата (потока солнечной радиации, условий увлажнения и континентальности и др.), а также условий рельефа, растительности и снежного покрова. Основным показателем теплового режима почвы, который характеризует ее тепловое состояние, является температура почвы.

 Температура почвы определяется притоком солнечной радиации и тепловыми свойствами самой почвы. Помимо климата, она зависит от рельефа, свойств почв, растительного и снежного покрова.

 Влияние рельефа проявляется в неравномерном поступлении радиации на выровненные участки и склоны разной крутизны и экспозиции. Самые теплые южные склоны, затем западные, восточные и наиболее холодные северные. Чем круче склон, тем больше разница в температуре почв на склонах разной экспозиции. Кроме того, почвы разных условий рельефа имеют различную влажность и неодинаковый снежный покров. Снежный покров предохраняет почву от потери тепла и воздействия низких температур воздуха. Растительный покров  уменьшает приток солнечной радиации к поверхности почвы и тем самым понижает температуру ее поверхностного слоя в летний период, а способствуя накоплению снега, сохраняет тепло в холодный период. Под снегом снижение температуры  почвы ниже 0 °С начинается позднее и на меньшую глубину.

 Влияние механического состава на температуру почвы связано с отмеченными выше особенностями тепловых свойств легких и тяжелых почв. Весной глинистые почвы, обладая большим запасом влаги и расходуя тепло на испарение, нагреваются медленнее, чем легкие. Осенью легкие почвы холоднее тяжелых. Самые холодные торфяно-болотные почвы, как более влажные и имеющие высокую теплоемкость. Разница в температуре торфяно-болотных и минеральных почв составляет 2,5—4,2 °С. Большое влияние на температуру почвы оказывает ее окраска: темные почвы (дерново-карбонатные, черноземы и др.) имеют более высокие температуры  и быстрее нагреваются, чем светлые (дерново-подзолистые).

 В связи с суточной и годичной цикличностью в поступлении радиации солнца для температуры почвенного профиля характерна суточная и годовая периодичность.  Суточный ход температуры. Максимальная температура поверхности почвы наблюдается около 13 ч, минимальная перед восходом солнца. Днем поверхность почвы нагревается, а ее температура с глубиной уменьшается; в ночные часы поверхность почвы охлаждается в наибольшей степени, с глубиной охлаждение уменьшается. Поэтому наибольшие колебания температуры почвы происходят на поверхности; с глубины 3—5 см они резко падают. На глубине 35—100 см суточные колебания полностью затухают (рис. 27).                                               

 Наиболее быстро температура изменяется на поверхности почв. С глубиной в связи с малой теплопроводностью почвы скорость этих изменений значительно замедляется. Поэтому максимум и минимум суточных температур на разных глубинах почвенного профиля наступает в разное время. В среднем имеет место запаздывание в 2—3 ч на каждые 10 см глубины.

 Суточный ход температуры зависит от свойств почвы (механического состава, влажности, плотности и др.), состояния атмосферы (облачность, ветер, осадки), растительного и снежного покрова. Поэтому на фоне общего характера суточного хода температур почвы каждому типу почв присущи свои особенности.

 Годовой ход температуры. Годовой ход температуры характеризуется проявлением двух периодов: летнего с потоком тепла от верхних горизонтов к нижним (период нагревания почвы) и зимнего - с потоком тепла от нижних к верхним (период охлаждения почвы). В умеренных широтах максимум среднесуточной температуры почвы наблюдается обычно в июле—августе, а минимум - в январе - феврале. Летом самая высокая температура отмечается в верхних горизонтах, с глубиной она снижается; зимой верхние горизонты имеют наименьшую температуру, а с глубиной она повышается. Наиболее резкие годовые колебания температуры происходят на поверхности почв, с глубиной они  затухают. Различные типы почв имеют свои особенности годичного изменения температуры на разных глубинах (рис. 28).

Среднегодовые температуры почвы на глубине 20 см выше среднегодовой температуры воздуха от десятых долей градуса до 5 °С и более.  Большое влияние на годовое изменение температуры почвы оказывает растительность, она предохраняет поверхность почвы от резких колебаний температуры. В районах с холодными зимами и выпадением снега важное  значение для формирования температурного режима имеют промерзание, оттаивание почвы, мощность и длительность сохранения снежного покрова.

Почва начинает замерзать при температуре несколько ниже О °С, поскольку в почвенном растворе всегда содержатся растворимые вещества, понижающие температуру замерзания. На температуру замерзания почвы влияет и состояние почвенной влаги: свободная вода замерзает при температуре минус 0,1—1,5°С, связанная - минус 1,5- 4°С и ниже.  Кроме того, на замерзание почвы влияют снежный и растительный покров, рельеф, свойства почвы и ее влажность, а также хозяйственная деятельность человека.

 Снежный покров предохраняет почву от промерзания, и чем он мощнее, рыхлее и чем длительнее сохраняется, тем больше утепляет почву и снижает глубину ее промерзания. Сохранение и искусственное накопление снега имеет огромное значение в предохранении от вымерзания посевов озимых, многолетних трав и посадок плодово- ягодных культур. Растительный покров, задерживая и накапливая снег, резко ослабляет промерзание почвы. На наименьшую глубину почва промерзает в лесу и среди лесных и кустарниковых насаждений. Рельеф влияет на приток солнечной радиации, накопление снега и увлажнение почвы. Поэтому наибольшая глубина промерзания почвы наблюдается на выпуклых формах рельефа, наветренных склонах, где сдувается снег. В понижениях (лощинах, западинах) глубина промерзания почв наименьшая.

Почвы северных склонов промерзают более глубоко, южные - на меньшую глубину. Чем влажнее почва, тем меньше она промерзает. При замерзании почвы идет процесс передвижения влаги  в жидком и парообразном состоянии к верхнему, наиболее охлажденному слою (преимущественно 0—5 см). Замерзание почвы начинается до или после установления снежного покрова и продолжается до января или февраля, когда она начинает  оттаивать снизу.

Оттаивание идет за счет передачи тепла из нижних горизонтов, когда приток тепла от нижних слоев почвы превышает его потери поверхностью почвы.

 Влияние деятельности человека на промерзание почвы связано с изменением состояния растительного покрова, условий увлажнения на территории. Уничтожение растительности (вырубка леса и пр.) уменьшает накоплений снега и способствует увеличению глубины промерзания почвы. В том же направлении проявляется действие осушения почв в связи с уменьшением влажности почвы.

 В оттаивании почв наблюдаются два случая. В первом - оттаивание идет снизу и заканчивается до схода снега. При этом мерзлая прослойка исчезает у поверхности почвы; талая вода лучше проникает в почву. Во втором случае оттаивание начинается снизу, затем одновременно и сверху и снизу. В этот период мерзлая прослойка сохраняется на некоторой глубине, препятствуя проникновению воды в нижние горизонты, что приводит к значительному поверхностному стоку.

 Для характеристики температурного режима особое значение имеет продолжительность периода активных температур (>10 °С) в почве на  глубине 20 см. Здесь расположено максимальное количество корней сельскохозяйственных и многих естественных растений. Сумма активных температур почвы на этой глубине — основной показатель теплообеспеченности почв (табл. 41).

Теплообеспеченность почв основных почвенно-климатических зон страны снижается  с запада на восток. В земледельческих районах таежно-лесной зоны она колеблется от ниже средней (Западная и Средняя Сибирь) до выше средней (Белоруссия, Приморье); в лесостепной — от ниже средней (Средняя Сибирь) до хорошей (Украина); в степной — от средней (Восточная Сибирь) до весьма хорошей (Предкавказье); в зоне сухой степи — хорошая и весьма хорошая. Наилучшей теплообеспеченностью характеризуются почвы сухих и влажных субтропических зон.

 Для оценки температурного состояния почв важны также показатель суровости зимних почвенных условий, за который принята сумма отрицательных температур на глубине 0,2 м и средний из абсолютных минимумов  температур на поверхности почвы. По этим параметрам выделяют почвы: теплые, умеренно теплые, умеренные, умеренно холодные, холодные, мерзлотные и длительно сезоннопромерзающие. Такое разделение почв позволяет оценить возможность выращивания различных сельскохозяйственных растений в соответствии с их требованием к теплу и определить возможное число получаемых урожаев.

Показатели теплообеспеченности и суровости зимних почвенных условий необходимы при районировании сортов сельскохозяйственных культур, разработке агротехнических и мелиоративных мероприятий.

 Радиационный и тепловой баланс почвы. 

Солнечная энергия, притекающая к поверхности почвы, частично поглощается ею, а часть ее отражается в атмосферу.  Приход-расход солнечной радиации, поглощаемой и излучаемой поверхностью почвы, называется ее радиационным балансом (То). Приходную часть радиационного баланса составляют прямая и рассеяная коротковолновая солнечная радиация (Qp), а также длинноволновое противоизлучение атмосферы (Qд). Расходная часть баланса - отраженная поверхностью коротковолновая радиация (Qотр), длинноволновое температурное излучение подстилающей поверхностью (Qизл). Уравнение радиационного баланса имеет следующий вид:

Радиационный баланс может быть положительным и отрицательным. Этим определяется нагревание или охлаждение поверхности почвы. Для радиационного баланса характерны суточная и годичная периодичность. В околополуденные часы он имеет максимальные значения и ночью — минимальные (отрицательные); в годичном цикле максимальные показатели летом и минимальные - зимой. Солнечная радиация, достигая поверхности почвы, превращается в тепловую. Поэтому радиационный баланс имеет важное значение в формировании теплового баланса почвы, т. е. прихода и расхода тепла на ее поверхности.

 Тепловой баланс складывается из следующих статей: показателя радиационного баланса (Тб);  Затрат тепла на транспирацию влаги и ее физическое испарение (ТТ), которые зависят от содержания влаги в почве и могут достигать 70—80 % радиационного баланса; расхода тепла на теплообмен между поверхностью почвы и более глубокими слоями (Ты); тепловой поток может быть направлен от поверхности в глубь почвы (летом, днем) или из глубины к поверхности (зимой, ночью);  количества тепла, расходуемого на нагревание воздуха (Тк).

 Согласно закону сохранения энергии, в каждый данный момент приход тепла на поверхность почвы равен его расходу, поэтому тепловой баланс выражается следующим уравнением:

На тепловой баланс могут также влиять временные статьи - выпадение дождей с температурой выше или ниже температуры поверхности почвы, таяние снега и др. Он может зависеть от географического положения, рельефа, времени года и суток, свойств почвы, растительности, метеорологических условий и  пр.

 Типы теплового (температурного) режима почв. В зависимости от среднегодовой температуры и характера промерзания почвы В. Н. Димо (1972) выделяет 4 типа температурного режима почв: мерзлотный; длительно сезонно промерзающий; сезонно промерзающий; непромерзающий.  Мерзлотный тип температурного режима характерен для местностей, где среднегодовая температура профиля почвы имеет отрицательный знак (ряд провинции Евразиатской полярной и  Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной областей). В таких почвах преобладает процесс охлаждения, сопровождающийся промерзанием почвенной влаги до верхней границы многолетнемерзлых пород.  Длительно сезоннопромерзающий тип  температурного режима проявляется на территориях, где преобладает положительная среднегодовая температура почвенного профиля. Глубина проникновения отрицательных температур не менее 1 м, но смыкания пород сезонного промерзания с многолетнемерзлыми породами не наблюдается (не исключается отсутствие многолетнемерзлых пород). Длительность промерзания не менее 5 мес.  Сезоннопромерзающий тип температурного режима отличается положительной среднегодовой температурой почвенного профиля. Сезонное промерзание не более 5 мес. Подстилающие породы немерзлые.  Длительно сезоннопромерзающий и сезоннопромерзающий типы теплового режима характерны для наибольшей части территории РФ. Непромерзающий тип  температурного режима наблюдается в местностях, где промерзание профиля почв и морозность не проявляются. К ним относятся теплая южноевропейская фация и области субтропического пояса.

 Регулирование теплового режима. В сельскохозяйственной практике регулирование теплового режима имеет важное значение для обеспечения оптимальных условий роста растений. Улучшение теплового режима почв основывается на осуществлении приемов, регулирующих приток солнечной радиации,  и приемов, ослабляющих или повышающих ее потери за счет теплоотдачи в атмосферу.

 В летнее время в северных районах с повышенным увлажнением почв и меньшим притоком солнечной радиации эти мероприятия преследуют цель повышения температуры почвы, в южных засушливых - ее понижения.

 К приемам, регулирующим приток солнечного тепла к поверхности почвы, относятся затенение почвы растительностью, мульчей, некоторые  приемы обработки почвы (рыхление и прикатывание поверхности почвы), гребневые и грядковые посевы.

 Растительный покров затеняет поверхность почвы, ослабляет приток к ней солнечного тепла и способствует понижению температуры. Поэтому в жарких районах ряд культур (табак, кофе)  возделывают с затенением под пологом древесных пород. В этих же целях создают кулисы из высокостебельных растений и устраивают легкие навесы.

В летний период лесные полосы понижают температуру почвы не только в самой полосе,  но и в межполосном пространстве, что способствует большей устойчивости посевов к действию суховеев.

 Мульчирование поверхности почвы торфом, соломой, мульчбумагой и другими материалами широко применяют для регулирования температуры почвы, особенно в овощеводстве. Мульчирование светлоокрашенной мульчей увеличивает альбедо и ослабляет нагревание, и, наоборот, темные материалы (черная мульчбумага, темная торфяная крошка) способствуют большему притоку тепла. Любое мульчирующее покрытие заметно снижает испарение, а следовательно, и расход тепла. При мульчировании сглаживаются суточные колебания температуры почвы.

 Обработка почвы и рыхление поверхностного слоя способствуют более быстрому обмену тепла в почве. Шероховатая поверхность обработанной почвы днем сильнее поглощает солнечную энергию,  но ночью больше ее и излучает по сравнению с плотной поверхностью. Рыхление почвы увеличивает ее теплопроводимость и уменьшает лучеиспускательную способность. Этот прием способствует снижению температуры почвы днем и сохранению тепла ночью.

Контрольные вопросы

1. Дайте понятия плотности, плотности твердой фазы и порозности почвы и их агрономическую оценку.

 2. Назовите физико-механические свойства почвы, дайте их определение и укажите их зависимость от состава почвы, ее физико-химических свойств и других факторов.

3. Какие категории воды выделяют в почве; какова их прочность связи с твердой фазой почвы и доступность растениям?

 5. Что такое почвенно-гидрологические константы (ПГК)? Дайте понятие основных ПГК.

 6. Охарактеризуйте водные свойства почв. Каково их значение?

 7. Какое влияние на водные свойства оказывают механический состав, структурное и гумусовое состояние, состав поглощенных - катионов почв?

8. Какая влага называется продуктивной? Укажите диапазон продуктивной влаги в почве. В каком интервале влажности находится наиболее благоприятная, высокопродуктивная влага?

 9. Что понимают под водным режимом, какие выделяются типы водного режима?

11. Каковы особенности почвенного воздуха в сравнении с атмосферным?

 12. Что такое газообмен, от каких факторов он зависит?

13. Охарактеризуйте воздушные свойства. Каковы оптимальные условия аэрации почв?

 14. Что понимают под воздушным режимом, каковы его показатели?

 15. Назовите и охарактеризуйте источники тепла в почве. 

16. Как проявляется влияние отдельных факторов на формирование тепловых свойств почвы? 

17. Дайте характеристику типам теплового режима почв.