Роль температуры в почвенных процессах. Источники тепла в почве

Тепловой режим в значительной степени объясняет интенсивность механических, геохимических и биологических процессов в почве. С повышением температуры на 10° С скорость химической реакции возрастает в 2-3 раза (правило Ван Гоффа). В разных районах Земли в этой связи скорости химических реакций могут отличаться в десятки раз. От температуры зависит сорбция и десорбция, растворимость газов, соотношение твердой и жидкой фаз в почве, пептизация и коагуляция коллоидов.

 

Многие минералы отличаются значительными коэффициентами объемного расширения, например, у полевых шпатов вдвое меньше, чем у кварца. При периодическом нагревании и охлаждении в породах образуются трещины, а капиллярное давление в тонких трещинах и замерзающая вода в более крупных способствуют механическому разрушению минералов и пород. Нагревание увеличивает биохимическую деятельность бактерий, по крайней мере до температуры 40° С.

 

Повышение температуры почвы, и, соответственно, почвенного раствора, приводит к тому, что в почвенном растворе увеличивается концентрация растворимых солей, таких как NaCl, нитраты, сульфаты и т.д. Одновременно повышение температуры снижает содержание в растворе газов, в том числе кислорода. Поэтому формирование застойного гидрологического горизонта в летний период может резко снизить окислительно-восстановительный потенциал почвы и ухудшить состояние растений, вплоть до полной их гибели. Именно в этот период усиливаются процессы оглеения.

 

Отдельно следует отметить роль температуры в питании растений. В теплых почвах растворы быстрее "разносят" питательные вещества, чем в холодных. При увеличении температуры ускоряются многие химические реакции, в том числе и в почве. Усиливаются процессы окисления органического вещества, процессы обмена между почвой и раствором, процессы диффузии веществ в почве. Все эти реакции прямо влияют на доступность питательных веществ для растений. Именно поэтому более бедные питательными элементами почвы влажных тропиков и субтропиков лучше снабжают растения пищей и производят больше фитомассы естественных и сельскохозяйственных растений. В красноземах диффузия питательных веществ к корню идет значительно быстрее, чем в северных почвах, хотя для одной и той же температуры коэффициент диффузии в красноземах меньше, чем в других почвах. Температура почв определяет газовый режим: увеличение температуры усиливает биологическую активность и выделение СО2 из почвы.

 

Тепловой (температурный) режим используют также в Американской классификации почв.

 

Выделяют температурный режим пергелик (многолетняя мерзлота), почвы с этим режимом имеют среднегодовую температуру 0°С.

 

Температурный режим криик характерен для почв со средней температурой выше 0° и ниже 8°С.

 

Фригид имеет такие же температуры, что и криик, но разница на глубине 50 см зимних и летних температур более 5°.

 

Мезик - среднегодовая температура выше 8° но ниже 15°, и разница на глубине 50 см между зимними и летним температурами более 5°С.

 

Термик - среднегодовая температура почвы не ниже 15°, но ниже 22°, разница температур на глубине 50 см в зимний и летний период больше 5°С.

 

Гипертермик - среднегодовая температура не ниже 22°, разница температур на глубине 50 см в зимний и летний период больше 5°С.

 

На тепловой режим влияют и другие природные факторы: высота над уровнем моря, экспозиция склона, тип почвообразующей породы, количество осадков и т.д. Часть из этих факторов сами представляют собой переменные случайные величины, поэтому можно заключить, что, несмотря на свою цикличность, тепловой режим почв – параметр переменный, на который влияют другие компоненты БГЦ и окружающей среды.

 

Изменчивость теплового режима в любые периоды сопровождается изменением в жизнедеятельности биоты, в скорости химических реакций, в проявлениях водного, пищевого и газового режимов почв.

 

Поэтому оценка теплового, как и водного режима, лежит в основе понимания динамичности других свойств почв.

 

Следует остановиться еще на одной особенности теплового режима почв и экосистем в целом. Поступающий в экосистемы свет имеет разный спектральный состав в зависимости от высоты местности. В субальпийском и альпийском поясах в спектре света больше ультрафиолетовых лучей, которые, как известно, обладают бактерицидными свойствами. Возможно, что роль этих лучей в жизни горных экосистем намного больше, чем мы до сих пор представляем, и высокая гумусность горных почв связана со спектральным составом света.

 

В принципе можно выделить почвы теплые (обычно песчаные и супесчаные, содержащие мало воды), имеющие теплопроводность 3,5-

5,0 ккал/см*сек*град и теплоемкость 0,5-0,6 кал/см3*град, и холодные (глинистые переувлажненные) с показателями в 3-4 раза меньше. Благодаря высокой теплоемкости воды переувлажненные почвы медленнее согреваются, чем более легкие или менее увлажненные.

 

Более высокая температура почвы способствует иссушению ее, но в то же время обеспечивает более быстрое поступление в корни питательных элементов, более быстрый их подток к корню, активизирует биологические процессы в почве, активность микрофлоры. С ростом температуры увеличивается выделение углекислого газа из почвы, скорость обменных и других реакций, диффузия, капиллярный подъем воды, фильтрация и пр. Таким образом, тепловой режим - важный экологический параметр почвы, во многом определяющий ее экологические функции (питание, водоснабжение, окислительно-восстановительные условия и пр.).

 

Существуют способы улучшения теплового режима: мульчирование торфом, соломой, пленкой, опилками; рыхление и уплотнение; возделывание растений определенного вида с конкретной густотой; применительно к снежному покрову – хорошему термоизолятору – снегозадержание, щиты, кулисы.

 

Почва – пористая система, в которой практически всегда в том или ином количестве присутствует воздух, состоящий из смеси газов, заполняющих свободное от воды поровое пространство почвы. Воздушная фаза – важная и наиболее мобильная составная часть почв, изменчивость которой отражает биологические и биохимические ритмы почвообразования, находящаяся в тесном взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами. Почвенный воздух – смесь газов и летучих органических соединений, заполняющая поры, свободные от воды. Наличие и состав почвенного воздуха не менее важны для формирования урожая, чем вода и питательные вещества. Количество и состав почвенного воздуха оказывают существенное влияние на развитие и функционирование растений и микроорганизмов, на растворимость и миграцию химических соединений в почвенном профиле, на интенсивность и направленность почвенных процессов. Кроме того, почва является поглотителем, сорбирующим токсичные промышленные выбросы газов и очищающим атмосферу от техногенного загрязнения. Поэтому естественно то большое внимание, которое уделяется детальному изучению газовой фазы почв. Главный источник газовой фазы почвы – атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. С атмосферным воздухом поступает кислород, необходимый для дыхания корней, микроорганизмов, почвенной фауны. Большинство растений не может существовать без непрерывного притока кислорода к корням и вывода углекислого газа из почвы. Если изолировать почву от атмосферного воздуха, то кислород в ней израсходуется полностью через несколько суток. Следовательно, почвенный воздух обеспечивает живые организмы только при условии постоянного обмена с атмосферным воздухом. Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называется аэрацией. Именно слабая аэрация часто является фактором, лимитирующим урожайность сельскохозяйственных культур. Особенно это выражено в Беларуси на тяжелых почвах Поозерья.

ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА В ПОЧВЕ

 

Главным источником тепла, поступающего в почву, является лучистая энергия Солнца (солнечная радиация). 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 и др.), широко используют в овощеводстве закрытого грунта.

 

Часть поступающей к поверхности почвы лучистой солнечной энергии поглощается почвой и, преобразуясь в тепло, нагревает почву; часть отражается поверхностью почвы и напочвенным покровом. Почва отдает тепло в атмосферу, если температура ее поверхности выше, чем температура приземного слоя воздуха.

 

В зависимости от соотношения количества поглощенной поверхностью почвы лучистой энергии и излучения почвой тепла в атмосферу почвенная поверхность будет или нагреваться, или охлаждаться. Наряду с поглощением тепла почвенной поверхностью идут процессы перемещения тепла от слоев более нагретых к слоям с более низкой температурой. Это сказывается на тепловом состоянии различных слоев почвы. Чем больше разность температур поверхности почвы и ее глубоких слоев, тем больше тепла уходит из почвы или поступает в нее.