Основной источник тепла в почве – лучистая солнечная энергия, которая поглощается поверхностью почвы и превращается в тепловую энергию и только в незначительной степени внутреннее тепло Земли и теплота, выделяющаяся при окислительных процессах и разложении органических веществ. Совокупность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла называется тепловым режимом почвы.
Тепловой режим почвы совместно с водным и воздушными режимами оказывает большое влияние на:
- почвообразовательный процесс;
- плодородие почвы;
- жизнедеятельность и продуктивность.
Оптимальная температура для большинства биохимических процессов почвы 25 – 30 °С.
Совокупность свойств, обусловливающих способность почв поглощать и перемещать в своей толще тепловую энергию, называются тепловыми свойствами. К ним относятся:
- теплопоглотительная способность (теплопоглощение),
- теплоемкость,
- теплопроводность.
Теплопоглощение – способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца, характеризуется величиной альбедо. Альбедо – количество солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы по отношению к общей солнечной радиации, достигающей поверхности почвы, выраженное в %. Чем меньше альбедо, тем больше поглощает почва солнечной радиации. Альбедо зависит от:
- цвета,
- влажности,
- структурного состояния,
- содержания гумуса,
- выровненности поверхности почвы,
- растительного покрова.
Теплоемкость – это способность почвы вмещать в себя и удерживать то или иное количество тепла. Измеряется количеством тепла в калориях, необходимого для нагревания 1см3 или 1 г почвы на 1 °С, в связи с чем различают объемную и удельную теплоемкость почв (первая больше второй).
Теплоемкость почвы зависит от:
- минералогического состава;
- гранулометрического состава;
- пористости и содержания воды и воздуха;
- содержания органического вещества.
По характеру теплоемкости почвы делят на «теплые» и «холодные». Песчаные и супесчаные почвы менее влагоемки, поэтому быстрее прогреваются, их называют «теплыми» почвами. Весной такие почвы становятся пригодными для обработки на 2 – 3 недели раньше, чем почвы суглинистые. Глинистые почвы содержат больше воды, на нагревание которой требуется много тепла, вследствие чего их называют «холодными».
Теплота, поступающая на поверхность почв, под действием градиента температур перераспределяется в почвенном профиле. Этот процесс называется теплообменом и зависит от теплопроводности.
Теплопроводность – это способность почв проводить тепло от более нагретых слоев к более холодным. Измеряется количеством тепла в калориях, которое проходит за 1 с через 1 см2 слоя почвы толщиной 1 см. Она зависит от:
- минералогического и гранулометрического состава;
- содержания воздуха и влажности;
- плотности почвы;
- теплопроводности составных частей почвы.
Чем крупнее механические элементы, тем больше теплопроводность. Так, теплопроводность крупнозернистого песка при одинаковой пористости и влажности в 2 раза больше, чем фракции крупной пыли. Наименьшей теплопроводностью обладает воздух, затем – гумус, несколько лучшей – вода, наибольшей – минеральная часть почвы.
Основным показателем теплового режима почвы, который характеризует ее тепловое состояние, является температура почвы.
Температура почвы определяется притоком солнечной радиации и тепловыми свойствами самой почвы. В связи с суточной и годичной цикличностью в поступлении радиации Солнца для температуры почвенного профиля характерна суточная и годовая периодичность.
Наибольшие суточные колебания температуры наблюдаются на поверхности почвы и имеют синусоидальный характер. Максимальная температура поверхности почвы наблюдается около 13 ч, минимальная – ночью. С глубиной суточная амплитуда изменений температуры значительно снижается и затухает на глубине около 50 см. Скорость передачи тепла вглубь профиля замедляется, поэтому максимум и минимум суточных температур на разных глубинах почвы наступает в разное время. В среднем имеет место запаздывание в 2 – 3 ч на каждые 10 см глубины. В связи с особенностями каждого типа почв на фоне общего характера суточного хода температур каждому из типов присущи свои особенности.
Годовая динамика температуры зависит от природной зоны, имеет большую амплитуду колебаний и выражена на большей глубине, чем суточные. Наиболее резкие годовые колебания температуры происходят на поверхности почв, с глубиной они затухают. Зона активной выраженности сезонной динамики ограничена 3 – 4 метровым слоем, на глубине 6 м годовая температура колеблется менее чем на 1 оС.
Годовой ход температуры характеризуется проявлением двух периодов:
- летнего с потоком тепла от верхних горизонтов к нижним (период нагревания почвы),
- зимнего – с потоком тепла от нижних к верхним (период охлаждения почвы).
В умеренных широтах максимум среднесуточной температуры поверхности 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. Вследствие инерционности теплопереноса в почвенной толще установление максимальной температуры почв отстает от максимума температур воздуха (на глубине 3 м максимум устанавливается на несколько месяцев позже, чем на поверхности).
Большое влияние на годовое изменение температуры почвы оказывает растительность, она предохраняет поверхность почвы от резких колебаний температуры. 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.
Влияние деятельности человека на промерзание почвы связано с изменением состояния растительного покрова, условий увлажнения на территории. Уничтожение растительности (вырубка леса и пр.) уменьшает накопление снега и способствует увеличению глубины промерзания. Существенное изменение в характер теплового режима почвы вносит их распашка. Температурный режим становиться более контрастным. Так, на пахотном типичном черноземе под пропашными культурами суточная амплитуда достигает 35 – 57 оС, в то время как на целине не более 18 – 23 оС. В холодное полугодие они охлаждаются быстрее и глубже, а сам период с отрицательными температурами на 20 – 30 дней длиннее, чем у целинных.
Регулирование теплового режима почв 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.
Различают агротехнические, агромелиоративные и агрометеорологические приемы регулирования теплового режима почв. К агротехническим приемам относят:
- прикатывание,
- гребневание,
- оставление стерни,
- мульчирование.
К агромелиоративным:
- орошение,
- осушение,
- лесные полосы,
- борьбу с засухой.
К агрометеорологическим:
- борьбу с заморозками,
- меры по снижению излучения тепла из почвы и др.