ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 2, с. 196-201
= ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.436
ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ ТИПИЧНЫХ ЗАКАЗНИКА "КАМЕННАЯ СТЕПЬ"*
© 2015 г. Т. А. Архангельская1, К. И. Лукьященко1, П. И. Тихонравова2
1 Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы, 1
e-mail: arhangelskaia@gmail.com 2Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
Поступила в редакцию 06.11.2013 г.
Изучена температуропроводность черноземов типичных среднемощных легкоглинистых (\bronic Chernozems (Pachic, Clayic)), которая менялась с влажностью почв в пределах 0.77—2.88 х 10-7 м2/с для гор. А пах, 0.82-2.60 х 10-7 м2/с для гор. Ad, 0.86-2.58 х 10-7 м2/с для гор. А1, 0.78-2.31 х 10-7 м2/с для гор. А1', 0.81-2.87 х 10-7 м2/с для гор. АВ, 1.01-3.33 х 10-7 м2/с для гор. В, 0.98-3.26 х 10-7 м2/с для гор. Вса. Зависимости температуропроводности от влажности представляют собой S-образные кривые с длинным пологим участком в области значений объемной влажности менее 0.15 см3/см3, областью выраженного роста температуропроводности в диапазоне влажности от 0.15 до 0.30-0.35 см3/см3 и прекращением роста температуропроводности или даже некоторым уменьшением ее в области значений влажности свыше 0.30-0.35 см3/см3. Аппроксимация экспериментальных кривых позволила получить набор педотрансферных функций, которые отражают различия между горизонтами и могут быть использованы для численной оценки температуропроводности исследованных горизонтов при любых значениях влажности.
Ключевые слова: температуропроводность почв, педотрансферные функции, черноземы типичные, Voronic Chernozems (Pachic, Clayic).
DOI: 10.7868/S0032180X15020021
ВВЕДЕНИЕ
Проблема внутрипочвенного переноса тепла в черноземах европейской территории России остается одной из наименее изученных проблем физики почв. Работ, посвященных этому вопросу, крайне мало. Во второй половине XX в. Димо [3], изучая тепловые свойства суглинистых почв Московской обл., установила уменьшение тепло- и температуропроводности по всему профилю при переходе от дерново-подзолистой и серой лесной почв к оподзоленному чернозему. Тихонравовой [7] при изучении тепловых свойств типичного мощного тяжелосуглинистого пахотного чернозема Курской обл. были подтверждены ранее выявленные закономерности и установлена меньшая степень дифференциации тепловых свойств почвенного профиля по сравнению с дерново-подзолистой и серой лесной почвами Московской обл. Однако тепловые свойства генетических горизонтов чернозема имели незначительные различия. Так, пахотный горизонт по сравнению с нижележащим гумусовым горизонтом характеризовался несколько большей объемной теплоемкостью и меньшей температуропро-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, проекты 14-0401761, 13-04-01475.
водностью. Минимальной объемной теплоемкостью и максимальной температуропроводностью характеризовался подпахотный гумусовый горизонт. Ниже по профилю наблюдалось незначительное уменьшение температуропроводности и увеличение объемной теплоемкости. Тепловые свойства черноземов более тяжелого гранулометрического состава для европейской территории России до сих пор практически не изучались.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования были черноземы типичные среднемощные легкоглинистые Каменной степи. Образцы для определения температуропроводности отобрали при изучении физических свойств почв в составе комплексной экспедиции Почвенного института им. В.В. Докучаева под руководством Н.Б. Хитрова в 2006 г.
Исследовали почвы с участка косимой залежи (с конца XIX в.), примыкающей с восточной стороны к лесополосе 40, и со второго поля семипольного полевого севооборота (распаханного в 1936 г.), расположенного с западной стороны лесополосы 40. Разрезы располагались на участке плоского водораздела [9].
Почва на залежном участке (разр. Т—0066) в соответствии с "Классификацией почв СССР" [4] характеризовалась как чернозем типичный сред-немощный легкоглинистый на лёссовидных глинах, на пашне (разр. Т—0067—12м) — как чернозем типичный пахотный среднемощный легкоглинистый на лёссовидных глинах. Подробное морфологическое описание разрезов представлено в работе Хитрова с соавт. [8]. Физические свойства черноземов типичных Каменной степи, находящихся в разных условиях хозяйственного использования, исследованы Королевым с соавт. [6].
Образцы ненарушенного сложения высотой 7 см и диаметром 3.8 см вырезали из вскрытых горизонтов в вертикальном направлении с помощью тонкостенных металлических цилиндров. Температуропроводность отобранных монолитов определяли в лаборатории, применяя метод регулярного режима [10, 12]. Измеряли скорость нагревания почвы после помещения в термостат с перемешиваемой водой, температура которой отличалась от начальной температуры почвенного образца. Для каждого образца определяли зависимость температуропроводности от влажности в диапазоне от капиллярного насыщения до воздушно-сухого состояния. Подробное описание методики проведения экспериментов приведено в работе [2].
Каждую из полученных экспериментальных кривых аппроксимировали педотрансферной функцией к(9) [1]:
к = к0 + а ехр
(
-0.5
1п
л2'
(1)
где 9, см3/см3 — объемная влажность почвы; к, м2/с — соответствующая ей температуропроводность; к0, м2/с, а, м2/с, 90, см3/см3 и безразмерная Ь — параметры аппроксимации. Для 14-и исследованных образцов получили 14 наборов параметров к0, а, 90 и Ь, которые затем использовали для количественной характеристики экспериментальных кривых к(9).
В начале каждой серии экспериментов определяли объем образцов в состоянии капиллярного насыщения. Перед проведением очередного измерения температуропроводности образцы взвешивали, и затем использовали эти данные для расчета влажности почвы. Плотность почвы рассчитывали, используя вес абсолютно-сухого образца и объем этого же образца в состоянии капиллярного насыщения. После проведения измерений температуропроводности в каждом образце определяли содержание углерода и гранулометрический состав, используя общепринятые методики. Содержание органического углерода исследовали мето-
дом сухого сжигания в токе кислорода с использованием экспресс-анализатора АН-8012 [5]. Гранулометрический состав определяли пипет-методом с применением пирофосфатной дис-пергации [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Плотность исследованных образцов в состоянии капиллярного насыщения была невысока, меняясь от 0.86 до 1.33 г/см3, и в целом увеличиваясь при движении вниз по профилю (табл. 1). Плотность пахотной почвы была минимальна в верхней части гор. А пах, несколько возрастала в нижней части гор. А пах, затем уменьшалась в гор. А1 до величины, сопоставимой с плотностью верхней части гор. А пах, затем снова увеличивалась с глубиной в гор. АВ и Вса. Плотность почвы залежи в верхней части профиля была меньше на 0.20—0.34 г/см3, чем на тех же глубинах в пахотной почве, что свидетельствует о некотором восстановлении и разуплотнении почвы залежи за время, прошедшее с момента прекращения сельскохозяйственной обработки почвы. В нижней части профиля плотность образцов почвы залежи из разр. Т—0066 сопоставима с плотностью образцов пахотной почвы из разр. Т—0067—12м.
Содержание органического углерода было высоким, постепенно уменьшаясь с глубиной, и в целом больше в почве залежи (разр. Т—0066). Гор. А пах и А1 разр. Т—0067—12м содержали на 0.8—1.9% меньше органического углерода по сравнению с теми же глубинами в пределах гор. Лё и А1' разр. Т—0066. Максимальное содержание органического углерода наблюдалось в гор. А1' разреза на залежи и составило 6.48%, минимальное 0.64% — в гор. Вса этого же разреза.
По гранулометрическому составу исследованные образцы относились к легким и средним глинам. Содержание физической глины (частиц размером менее 0.01 мм) варьировало в пределах 64— 76%, постепенно возрастая с глубиной (табл. 2).
Исследованные почвы характеризовались низкими значениями температуропроводности во всем диапазоне влажности (рис. 1). Температуропроводность исследованных горизонтов менялась в пределах 0.85—1.48 х 10-7 м2/с для воздушно-сухих образцов и 2.16—3.08 х 10-7 м2/с для образцов в состоянии капиллярного насыщения. Температуропроводность капиллярно-насыщенных образцов почвы пашни была больше температуропроводности воздушно-сухих образцов в 1.7—2.3 раза для верхней части гор. А пах и в 3.1 раза для нижней части этого горизонта. Для почвы залежи температуропроводность гор. Аё и А1' при увлажнении увеличивалась в 2.3—2.6 раза. Температуропроводность нижележащих горизон-
198
АРХАНГЕЛЬСКАЯ и др.
Таблица 1. Физические свойства исследованных почв: плотность в состоянии капиллярного насыщения (рь), содержание органического углерода, коэффициенты температуропроводности в воздушно-сухом (квс) и капиллярно-насыщенном (ккн) состоянии
Горизонт, глубина, см № образца Глубина отбора, см Рь, г/см3 С орг, % квс ккн
х10— 7 м2/с
Разр. Т—0067—12м
А пах, 0—22 1 0-7 1.06 4.80 1.48 2.47
2 0—7 1.05 4.89 1.07 2.43
3 10—17 1.15 4.67 0.85 2.67
4 10—17 1.20 4.59 0.92 2.88
А1, 30-45 5 30—37 1.07 4.09 0.86 2.25
АВ, 45(47)-65(72) 6 46—53 1.17 2.84 0.93 2.81
Вса, 65(72)—109 7 86—93 1.27 0.64 0.98 2.93
Разр. Т—0066
Аё, 0-3(8) 8 0—7 0.95 5.62 1.08 2.53
9 0—7 0.86 6.43 0.88 2.24
А1', 3(8)—19(22) 10 12—19 0.88 6.39 0.96 2.22
11 12—19 0.86 6.48 0.90 2.16
А1'', 19(22)-60(66) 12 40—47 0.95 4.90 1.04 2.34
В, 70(75)-88(98) 13 75—82 1.27 2.68 1.17 3.01
Вса, 88(98)—123(130) 14 105—112 1.33 0.67 1.16 3.08
Таблица 2. Гранулометрический состав исследованных почв
Горизонт, глубина отбора, см № образца Содержание фракций, %; размер частиц, мм
0.25—1 0.05—0.25 0.01—0.05 0.005—0.01 0.001—0.005 <0.001 <0.01
Разр. Т—0067—12м
А пах, 0—7 1 1 1 31 12 25 30 68
2 1 2 30 11 24 34 68
А пах, 10—17 3 1 1 29 12 24 35 70
4 0 0 29 11 25 33 70
А1, 30—37 5 1 1 26 11 21 41 73
АВ, 46—53 6 1 2 25 11 20 41 72
Вса, 86—93 7 1 1 23 11 18 46 76
Разр. Т—0066
Аё, 0—7 8 0 2 30 15 22 31 68
9 0 2 33 14 22 28 65
А1', 12—19 10 0 5 31 15 22 27 64
11 0 3 31 14 20 31 65
А1'', 40—47 12 0 0 3
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.