GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The article presents the results of modeling the distribution of heat in the soil at various rates of drainage. The proposed method allows, using mathematical modeling, to obtain the temperature profile of soils, which is the basis for assessing changes in the temperature and thermal regimes of natural and drained lands of the Belarusian Woodland. The results obtained in the work will make it possible to use reclaimed lands in agriculture with greater efficiency.
Belarusian Woodland, peat-bog soil, sod-podzolic soil, land reclamation, temperature, heat capacity, amount of heat
ВВЕДЕНИЕ
Проведённые крупномасштабные мелиорации Белорусского Полесья второй половины ХХ века решили задачу комплекса организационно-хозяйственных и технических мероприятий для обеспечения производства сельскохозяйственной продукции и оптимизации водно-воздушного режима. Как показала практика, мелиорация в целом решила поставленные перед ней задачи, но оказала существенное влияние на природные экосистемы, в том числе, и на тепловой режим территорий.
Тепловой режим наряду с водно-воздушным определяют, главным образом, сельскохозяйственную продуктивность земель. По этой причине изучение закономерностей формирования теплового режима почв является одной из актуальных задач земледелия. Целенаправленное регулирование данного процесса будет способствовать повышению урожайности и улучшению качества возделываемых сельскохозяйственных культур.
Несмотря на то, что микроклимат оказывает существенное влияние на рост сельскохозяйственных культур и их урожайность, в настоящее время недостаточно внимания уделяется этому фактору. Как правило, рассматриваются вопросы о внесении удобрений, об использовании новых сортов, средств борьбы с сорной растительностью и т. д. [1–3].
Белорусское Полесье располагается в пределах Брестской и Гомельской областей, с площадью осушенных земель 7315,9 и 1415,5 тыс. га соответственно. Это составляет примерно 19 % всех земель этих областей [4], основная часть которых находится на территории Белорусского Полесья.
В ближайшее время расширение сельскохозяйственных угодий не представляется возможным, поэтому одна из основных задач видится в интенсификации урожайности. Безусловно, главным фактором её повышения, помимо качества семян и внесения удобрений, является количество теплоты, которое приходится на поверхность почвы, а также влагообеспеченность корнеобитаемого слоя.
Характер изменения теплового режима осушенных и неосушенных территорий имеет различную структуру и определяется как климатическими факторами, так и степенью мелиорированности [5,6]. В первую очередь, меняется коэффициент теплопроводности, который варьируется от 0,1 Вт/(м0К) для сухого торфа и до 0,5 Вт/(м0К) для увлажнённого [7]. За счёт лучшей теплопроводности нижние слои влажной почвы сильнее прогреваются и дольше удерживают тепло при уменьшении температуры атмосферного воздуха.
Влажная почва за счёт присутствия в ней воды обладает большей теплоёмкостью по сравнению с осушенной. Следовательно, почва требует большего количества теплоты для нагревания, но и медленнее отдаёт тепло при остывании.
Основным источником тепла является лучистая энергия солнца. Поглощаемая почвой, она превращается в тепловую, которая передаётся в нижние горизонты либо возвращается в атмосферу соответственно посредством явления теплопроводности или теплового излучения и отражения [8]. Разность поглощаемой и излучаемой энергий представляет собой энергию, которая идёт на нагревание земной поверхности. При возрастании градиента температур между верхними и нижними слоями почвы, большее количество тепла уходит вниз [9].
В зависимости от теплоёмкости почва может поглотить только определённое количество теплоты. В силу того, что процесс теплопередачи от верхних слоёв к нижним идёт довольно медленно, избыточная энергия будет дополнительно отражаться в окружающую среду. В результате приземный воздух нагревается сильнее, что приводит к его перемещению в области более низкого давления. Таким образом, эти воздушные массы уносят с собой тепловую энергию с осушенных территорий [10].
Целью настоящего исследования является оценка изменения теплового режима мелиорированных земель Белорусского Полесья.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В основу исследования положено решение уравнения радиационного баланса, который формирует тепловой режим почв. В основу же радиационного баланса положен закон сохранения энергии с ее изменениями и превращениями применительно к конкретному участку почвы. На рис. 1 приведена схема теплообмена между земной поверхностью и окружающей средой [11].
Рис. 1. Схема теплообмена.
Закон сохранения энергии в процессе теплообмена происходит в соответствии с вышеприведённой схемой и записывается в виде [11, 12]:
R+ + Р+ +B1-B2 = LE + P- + JH - LC (1)
где R+ – радиационный баланс – разность между поглощенной коротковолновой (прямой и рассеянной) радиацией Солнца и балансом длинноволнового излучения (излучения земной поверхности за минусом противоизлучения атмосферы) в дневные и частично в сумеречные часы суток; Р+ – положительная составляющая турбулентного теплообмена – тепло, которое поступает на участок суши в связи с движением воздуха – адвентивное тепло; В1-В2 – изменение запасов тепла в деятельном слое почвогрунта – теплообмен в почве; LE – расход тепла на суммарное испарение; Р- – расход тепла на нагревание воздуха – турбулентный теплообмен; JH – длинноволновое (эффективное) излучение земной поверхности в ночные часы суток; LС – тепло конденсации; L – скрытая теплота испарения воды.
Уравнение (1) значительно упрощается, если принять следующие обозначения:
- теплоэнергетические ресурсы
LE0 = R++P++B1-B2
- суммарный теплообмен
LE0= LE + T
Тогда оно примет вид:
LE0 = LE + T
Величина Е0 является эквивалентом теплоэнергетических ресурсов процесса теплообмена (испаряемость) и выражается в толщине слоя воды, который может испариться при воздействии на данный процесс всех тепловых ресурсов. Величина Т представляет собой суммарный теплообмен на нагревание приземного воздуха и на ночное эффективное излучение земной поверхности, частично компенсируемое противоизлучением атмосферы и теплом конденсации водяных паров воздуха на охлажденных элементах земной поверхности [11, 12].
Сброс воды при осушении прямо либо косвенно влияет на все составляющие радиационного баланса. Исключение составляет величина среднегодового радиационного баланса R+, которая является устойчивой для данной местности.
Для описания закономерностей формирования температурного профиля почв использовано уравнение теплопроводности [13, 14, 15]:
где ρ − плотность, кг/м3; Cp − теплоемкость, Дж/(моль К); k − теплопроводность, Вт/м К; T – температура, 0К
Численное моделирование теплового режима почв [16] сводятся к вычислениям профильного распределения их температур [17]. Экспериментальным путём определить температуру на заданной глубине можно, применив современные термодатчики [18, 19]. На практике использование этих способов затруднено, так как требует большого количества аппаратуры и измерений. В тоже время существуют другие методы оценки тепла почвы на заданных глубинах, например, через известную температуру поверхности почвы [20]. Однако предварительное получение функции температуропроводности с использованием метода тепловой волны для обширных территорий является проблематичным.
Решением выше очерченной проблемы является метод математического моделирования. Для этого необходимо определить начальные климатические условия, что, в свою очередь, поможет рассчитать температурный профиль почвы и вычислить количество теплоты, аккумулированной ею.
Для количественной оценки изменения теплоемкости почв проведён численный эксперимент по следующей схеме: в качестве условного объема принята почва в 5 м3 с размерами 1 м – ширина, 1 м – длина и 5 м – глубина; выбранное значение глубины с запасом соответствует уровню, на котором прекращаются колебания температуры, связанные со степенью прогревания воздуха солнечными лучами [21].
В исследовании рассматривались модели двух наиболее распространённых почв: торфяно-болотной, состоящей из верхнего слоя торфа, глубиной 2 м, и нижнего слоя песка, глубиной 3 м; дерново-подзолистой, в состав которой входят верхний слой песка, глубиной 1 м, и нижний слой крупнозернистого песка, глубиной 4 м. Так как наибольшую площадь Белорусского Полесья занимают дерново-подзолистые почвы (более 35 %), далее идут дерново-подзолистые заболоченные (около 27,5 %) и торфяно-болотные (около 20 %) [22].
Для дерново-подзолистых почв расчёты производились для различных уровней грунтовых вод (УГВ): 0 м, 0,4 м, 0,8 м и 1 м.
Численное решение математической модели получено методом конечных элементов [23].
На базе специализированного программного обеспечения создана модель переноса тепла в почве и исследована динамика её прогрева в естественных условиях [24].
Исходными данными послужила метеорологическая информация по метеостанции Полесская, которая находится в центре Белорусского Полесья и является репрезентативной для данного региона [25]. Температура воздуха принималась равной среднему многолетнему значению для данного дня в 19:00, что является равным среднему значению температуры в рассматриваемый день.
С использованием приведённой выше методики выполнен численный эксперимент по построению температурного профиля почв для следующих граничных условий:
- На верхней поверхности почвы задавался поток теплоты, равный среднемесячному потоку солнечного излучения, падающего на единицу площади горизонтальной поверхности.
- На нижней поверхности почвы задавалось условие термостабилизации при температуре 9,1 0C [26], равной среднегодовой температуре воздуха над поверхностью [27].
- На поверхности почвы также задавалось условие конвективного теплообмена [12]:
- На боковых границах выделенного объёма применялись условия теплоизоляции.
- Испарение с поверхности почвы определялось как изменение внутренней энергии воды при испарении по формуле [28]:
где L – удельная теплота парообразования, Дж/кг; m – масса испарившейся воды, кг; ν – количество вещества испарившейся воды, моль; T – температура воздуха,0К; R – молярная газовая постоянная, Дж/моль К.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате численного эксперимента получено распределение температуры почвы по всей толщине моделируемой системы с интервалом осреднения за сутки с мая месяца по октябрь включительно. В качестве примера на рисунке 1 приведены графики зависимостей для мая месяца.
..jpg)
а).
..jpg)
б).
..jpg)
в).
..jpg)
г).
Рис. 2. Распределение температуры дерново-подзолистой почвы по глубине для выбранных дней: а). без осушения, б). с осушением на 0,4 м, в). с осушением на 0,8 м, г). с осушением на 1 м.
Из приведённых графиков видно, что для осушенных земель степень зависимости нагрева почвы в поверхностном слое достаточно сильно зависит от температуры атмосферного воздуха. Для почв без осушения разброс температурных величин на протяжении месяца составляет 40С; для осушенных почв температура достигает величины около 80С. Это вызвано сбросом воды из корнеобитаемого слоя почвы, которая обладает большей теплоёмкостью по сравнению с воздухом.
На графике для неосушенной почвы колебания температур практически не наблюдаются на глубине около 1,5 м, а для осушенной это происходит уже на глубине около 0,8 м. Аналогичная картина наблюдается и для остальных рассматриваемых месяцев.
Обратимся к графикам, представленным на рис. 3, на которых показано распределение температуры почвы по глубине для одного дня. В качестве примера взяли 1 мая. Из них следует, что в осушенном слое почвы, при приближении к поверхности температура растёт с большей скоростью, чем в почве без осушения. Изменение скорости возрастания температуры, как видно, происходит на верхнем уровне грунтовых вод.
Рис. 3. Распределение температуры почве по глубине для 1 мая.
Для торфяно-болотных почв расчёты проводились для уровней УГВ 0 м, 0,4 м и 0,8 м. Граничные условия выбирались аналогичные, как и для дерново-подзолистых почв.
В результате численного эксперимента получили распределение температуры по всей толщине рассматриваемой системы посуточно с мая месяца по октябрь.
..jpg)
а).
..jpg)
б).
..jpg)
в).
Рис. 4. Распределение температуры торфяно-болотной почвы по глубине для выбранных дней: а). без осушения, б). с осушением на 0,4 м, в). с осушением на 0,8 м.
В зависимости от свойств почвы на глубине от 0,35 м до 1 м суточные колебания температуры почвы затухают [29]. Так для почвы без осушения колебания температурных величин практически не наблюдаются на глубине около 1 м, а для осушенной это происходит уже на глубине около 0,8 м.
В слое почвы без осушения колебания температур начинают происходить примерно на глубине 2,5 м. С приближением к поверхности температура равномерно возрастает. На глубине 2,5 м в исследуемой модели лежит слой постоянной температуры. А вот её скачки, которые наблюдаются в отдельные дни на глубине около 0,2 м, связаны с инертностью процесса нагревания почвы.
При снижении УГВ на 0,8 м колебания температуры атмосферного воздуха оказывают существенное влияние на температуру почвы уже на глубине верхнего уровня воды.
В процессе осушения, как видно из диаграмм, изображённых на рис. 5, количество теплоты, аккумулированной почвами, понижается с уменьшением УГВ. Для дерново-подзолистых почв разность энергий до сброса воды и с осушением на 0,8 м достигает максимума в августе и составляет 1,53 1010 Дж. Для торфяно-болотных почв эта величина при такой же норме осушения является максимальной в июле (2,7 1010 Дж.). Таким образом дерново-подзолистые почвы более устойчивы к потере теплоты при осушении.
..jpg)
а).
..jpg)
б).
Рис. 5. Аккумулируемая энергия: а). дерново-подзолистыми почвами, б). торфяно-болотными почвами
Таким образом при осушении болот вместе с водой уходит большое количество энергии, которое составляет порядка 1010 Дж с 1 м2 или 106 Дж с га. Если учесть, что Белорусское Полесье, площадь которого около 5 млн га [9], осушено полностью, то количество теплоты, что недополучает почва региона за вегетационный период, будет порядка 1016 Дж. Для сравнения: установленная мощность генерирующих энергоисточников Республики Беларусь составляет 10 073,99 МВт, что равно 8.7 1014 Дж в сутки или 2,4 1012 Дж в год [30].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уменьшение средней теплоёмкости и теплопроводности почвы вследствие уменьшения её влажности ведёт к снижению количества тепла, аккумулируемого почвой. Это может приводить к поздним заморозкам весной и ранней осенью, что также не способствуют росту урожайности сельскохозяйственных культур. В тоже время происходит переосушка верхнего слоя почвы, и создаются неблагоприятные условия для произрастания растений.
Поэтому при разработке планов управления мелиоративными системами, проектировании севооборотов, подбора агротехнических приёмов возделывания сельскохозяйственных культур, необходимо учитывать процессы перераспределения тепла в почве.
1. Zhuravlev M.Z Plodorodie nizinnyh bolot podtaezhnoy zony Irtysh-Ishimskogo mezhdurech'ya i nekotorye voprosy ih sel'skohozyaystvennogo ispol'zovaniya // Nauch. tr. OmSHI. Omsk, 1963. T. 1. S. 61- 70.
2. Motorin A.S. Plodorodie torfyanyh pochv Zapadnoy Sibiri /A.S. Motorin // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. 2020. № 1. S 16-22.
3. Kurchevskiy S.M., Podnebesnaya E.I. Sravnitel'naya ocenka peskovaniya i glinovaniya dlya povysheniya produktivnosti torfyanyh pochv // Agrohimicheskiy vestnik. 2013. № 2. S. 27-28.
4. Gosudarstvennyy zemel'nyy kadastr Respubliki Belarus' (po sostoyaniyu na 1 yanvarya 2021 g.) Komitet po zemel'nym resursam, geodeziya i kartografiya. Minsk, 2021.
5. Mazhayskiy Yu.A., Kurchevskiy S.M. Povyshenie produktivnosti melkozalezhnyh torfyanyh pochv pri vnesenii mineral'nyh dobavok // Agrohimicheskiy vestnik. 2015. № 1. S. 15-17.
6. Iglovikov A.V., Motorin A.S. Fiziko-himicheskie svoystva i pitatel'nyy rezhim narushennyh gruntov Kraynego Severa pri biologicheskoy rekul'tivacii / A.V. Iglovikov, A.S. Motorin // Agrarnyy vestnik Urala. № 7 (99). 2012. S. 66-72.
7. Dobrynin V.M., Vendel'shteyn B.Yu., Kozhevnikov D.A. Petrofizika (Fizika gornyh porod): Ucheb. dlya vuzov. 2-oe izd. pererab. i dop. pod red. D.A. Kozhevnikova. M.: FGUP Izd-vo «Neft' i gaz» RGU nefti i gaza im. I.M. Gubkina, 2004, 368 s.
8. Pochvovedenie / O.V. Kormilicina [i dr.]; pod obsch. red. V. A. Rozhkova. M.: Izd-iy dom «Lesnaya promyshlennost'», 2006. 272 s.
9. Prirodoobustroystvo Poles'ya: monografiya: v 4 kn. / pod obsch. nauch. red. Yu.A. Mazhayskogo [i dr.]. Brest; Rovno; Varshava; Ryazan': Mescherskiy filial VNIIGiM im. A.N. Kostyakova, 2019. Kn. 1: Belorusskoe Poles'e. T. 2: Preobrazovanie i ispol'zovanie prirodnyh resursov. 503 s.
10. Habutdinov, Yu.G., Shantalinskiy K.M, Nikolaev A.A. Uchenie ob atmosfere: uchebnoe posobie. Kazan': gos. un-t, 2010. 257 s.
11. Volchek, A.A., Shvedovskiy P.V., Sheshko N.N. Gidravlika, gidrologiya, gidrometriya: uchebnoe posobie; pod obsch. red. A.A. Volcheka. M., Izd-vo Knorus, 2021. 520 s.
12. Mezencev V.S. Gidrologicheskie raschety v meliorativnyh celyah: uchebnoe posobie. Chast' 1. / V.S. Mezencev, G.V. Belonenko, I.V. Karnacevich, V.V. Loskutov. Omsk: Omskiy SHI, 1980. 81 s.
13. Tihonov A.N., Samarskiy A.A. Uravneniya matematicheskoy fiziki. M.: Izd-vo MGU, 1999. 799 s.
14. Modeli produkcionnogo processa sel'skohozyaystvennyh kul'tur / R.A. Poluektov [i dr.]. SPb.: Izd-vo S-Peterb. un-ta, 2006. 799 s.
15. Hvorova L.A., Topazh A.G. Dinamicheskoe modelirovanie i prognozirovanie v agrometeorologii. Barnaul: Izd-vo Altayskogo gos. un-ta, 2010. 262 s.
16. Shein E.V. Kurs fiziki pochv. M.: Iz-vo MGU, 2005. 432 s.
17. Hvorova L.A., Zharikov A.V. Chislennoe modelirovanie sostavlyayuschih teplovogo rezhima pochv Altayskogo Priob'ya. Zhurnal Izvestiya AGU. 2013. № 1. T. 1. S. 126-130.
18. Bolotov A.G. Izmerenie temperatury pochvy s pomosch'yu tehnologii 1-Wire. Vest. Altayskogo gos. agrarnogo un-ta., 2012. № 11. S. 29-30.
19. CS230 Temperature Profiler. Revision: 4 /17: instruction manual // Campbell Scientific [Elektronnyy resurs]. URL: https: www.cs230.pdf (data obrascheniya: 14.02.2021).
20. Opredelenie profil'nogo raspredeleniya temperatury pochvy na osnovanii temperatury ee poverhnosti / E.V. Shein [i dr.] // Zhurnal Zemledelie. 2018. № 7. S. 26-29.
21. Volchek A.A., Borushko V.V. Ocenka vliyaniya osusheniya na teplovoy rezhim pochv Poles'ya. Kompleksnye problemy tehnosfernoy bezopasnosti. Nauchnyy i prakticheskiy podhody k razvitiyu i realizacii tehnologiy bezopasnosti. Sbornik tezisov po materialam XVII Mezhdun. nauch.-prakt. konf.. Voronezh, 2021. S. 57-58.
22. Mazhayskiy Yu.A. Prirodoobustroystvo Poles'ya: monografiya v 4 kn. / Yu.A. Mazhayskiy, A.N. Rokochinskiy, A.A. Volchek, O.P. Meshik, E. Eznah. Ryazan': Mescher. f-l FGBNU «VNIIGiM im. A. N. Kostyakova», 2018.Kn. 1: Belorusskoe Poles'e. T. 1: Prirodno-resursnyy potencial. 408 s.
23. Dul'nev G.N., Parfenov V.G., Sigalov A.V. Primenenie EVM dlya resheniya zadach teploobmena. M.: Vysshaya shkola, 1990. 208 s.
24. Borushko V.V., Volchek A.A., Gladkovskiy V.I. K voprosu o vliyanii osusheniya na teplovoy rezhim meliorirovannyh zemel' Belorusskogo Poles'ya / V.V. Borushko // Aktual'nye problemy nauk o zemle: ispol'zovanie prirodnyh resursov i sohranenie okruzhayuschey sredy. Sb. materialov mezhdun. nauch.-prakt. konf., posvyaschennoy Godu nauki v Respublike Belarus'. Brest: BrGU imeni A. S. Pushkina, 2017. Ch. 2. S. 6-9.
25. Volchek A.A., Borushko V.V. Ocenka vliyaniya osusheniya na teplovoy rezhim pochv Poles'ya. Kompleksnye problemy tehnosfernoy bezopasnosti. Nauchnyy i prakticheskiy podhody k razvitiyu i realizacii tehnologiy bezopasnosti. Sbornik statey po materialam XVII Mezhdun. nauch.-prakt. konf.. Voronezh, 2021. S. 368-374.
26. WeatherOnline Ltd. - Meteorological Services [Elektronnyy resurs]. URL: https:www.weatheronline.co.uk/Temperature/Brest/Climate Robot Belarus/ (data obrascheniya: 10.12.2020).
27. Zubaschenko E.M. Regional'naya fizicheskaya geografiya. Klimaty Zemli: uchebno-metodicheskoe posobie. Chast' 1. / E.M. Zubaschenko, V.I. Shmykov, A.Ya. Nemykin, N.V. Polyakova. Voronezh: VGPU, 2007. 183 s.
28. Mihaylyuk Yu.I., Mazitova A.K., Kudoyarova R.R. Orientirovochnaya osnova deystviy pri izuchenii himii elementov v kurse obschey himii: uchebnoe posobie. Ufa: Izd-vo UGNTU, 2004. 197 s.
29. Gorbyleva A.I., Andreeva D.M., Vorob'ev V.B., Petrovskiy E.I. Pochvovedenie s osnovami geologii: uchebn. posobie. Mn.: Novoe znanie, 2002. 480 s.
30. GPO «Belenergo» [Elektronnyy resurs]. URL: https:www.energo.by/content/deyatelnost-obedineniya/osnovnye-pokazateli/ (data obrascheniya: 22.12.2021).
