REGULATION OF THE MICROCLIMATE OF DRAINED PEAT SOILS OF THE NORTHERN TRANS-URALS
Abstract and keywords
Abstract (English):
The results of long-term (2008 - 2010) studies of the microclimate of drained peat soils in the subtaiga zone of the Northern Trans-Urals are presented. It is shown that drained peat soils, due to the specific thermal properties of peat, have an unsatisfactory temperature regime for the successful cultivation of many agricultural crops. Poor thermal conductivity of peat and strong heat transfer from surface layers are the main causes of frequent radiation frosts. The dark color of peat soils promotes a strong absorption of heat and their overheating on sunny days up to 45 - 50°C, in connection with which they are characterized by a large amplitude of daily temperature fluctuations (13.9 - 25.8°C). The introduction of clay into peat soil changes the thermal properties of peat, improves heat exchange between the surface and deeper layers of the soil; increases the temperature in the 0.2 - meter layer by 0.35 - 1.3°C on average during the growing season, reduces the amplitude of daily temperature fluctuations by 3.3 - 3.5°C, practically eliminates the possibility of radiation frosts. Improving the microclimate of peat soil by applying 300 t/ha of clay provides an increase of 7.24 t/ha (35.0%) in the yield of green mass of oats. An increase in the clay norm from 300 to 900 t/ha increases the yield of green mass of oats insignificantly (2.53 t/ha - 9%).

Keywords:
peat soil, heat capacity, thermal conductivity, temperature, frost, mineral soil
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение. До последнего времени в земледелии гораздо большее значение придается удобрениям, новым сортам, средствам борьбы с болезнями и сорной растительностью, чем микроклимату. В известной мере такое положение можно объяснить недостаточной изученностью влияния отдельных метеорологических элементов на формирование урожая [1, 2, 3].

Тепловой режим осушаемых торфяных почв существенно отличается от минеральных земель [4, 5]. Влажная торфяная почва требует намного тепла больше для своего нагревания, чем минеральная. Поскольку влажность торфяной почвы меняется в широких пределах, то и диапазон изменений теплоемкости весьма велик. Так, при изменении влажности почвы в условиях Западной Сибири от 10 до 93,5% объемная теплоемкость изменяется от 0,144 до 0,979 кал/см3 °С [6]. По своей теплопроводности торф стоит на последнем месте по сравнению с другими почвами. Коэффициент теплопроводности, выраженный в кал/ (см. с. град), изменяется следующим образом: для сухого торфа он равен 0,00027, сырого торфа – 0,0011, сухого песка – 0,0047, сырого песка – 0,04 [7]. Плохая теплопроводность торфа и сильная отдача тепла поверхностными слоями являются основными причинами частых заморозков на осушаемых землях. По сравнению с минеральными на осушаемых торфяных почвах микроклиматические условия являются более суровыми, что в основном выражается в частых поздних весенних и ранних осенних заморозках. Заморозки на этих почвах могут иметь место и в летний период [8, 9, 10].

В течение вегетационного периода число дней с заморозками на минеральных почвах составляет 9,8%, а на торфяных – 24,4, или примерно в 2,5 раза больше. Кроме того, на болотной почве заморозки являются более интенсивными и продолжаются значительно дольше, чем на минеральной [10]. Заморозки на торфяных почвах Среднего Урала чаще и интенсивнее на 1- 3°, продолжительность безморозного периода 68 дней, что на 27 дней меньше, чем на дерново-подзолистой [11]. На европейской территории к северу от широты 55 – 56° заморозки на поверхности торфяных почв наблюдаются почти в течение всего лета [12]. Радиационные заморозки различной интенсивности на поверхности торфяной почвы имеют место и в Белорусском Полесье. Сухие торфяные почвы значительно чаще и сильнее, чем влажные, подвергаются заморозкам [13]. В условиях Западной Сибири краткосрочные наблюдения за заморозками на торфяных почвах проведены на Бакчарском мелиоративном пункте. Здесь они отмечены в течение всего вегетационного периода [14].

При освоении холодных торфяных почв первоочередной задачей должно быть приближение их теплофизических свойств к таковым минеральным почвам [15, 16]. Эффективным средством регулирования теплового режима торфяных почв является искусственное их обогащение добавками минерального грунта. Внесение в торфяные сезонно-мерзлотные почвы минеральных добавок обеспечивает приближение холодных торфяников по тепловым свойствам к легким супесчаным и песчаным почвам [17]. Обогащение пахотного горизонта торфяной почвы минеральным грунтом повсеместно дает очень высокий тепломелиоративный эффект, т.к. снижает эффект ее самомульчирования при подсыхании верхнего оттаявшего слоя [18, 19]. Пескование в значительной степени снижает размах суточных колебаний температуры поверхности почвы [7].

Уменьшение суточных амплитуд колебаний температуры на поверхности почвы и в приповерхностном слое под влиянием добавок песка или глины сводит до минимума влияние поздневесенних, летних и раннеосенних заморозков [13].

Анализ использования торфяных почв Северного Зауралья показывает, что выращивание сельскохозяйственных культур без учета их микроклиматических особенностей не дает должного эффекта.

Цель исследования. Установить минимальную и максимальную температуру, вероятность и величину радиационных заморозков на поверхности торфяной почвы и влияние добавок минерального грунта на микроклиматический режим почвы.

Материалы и методы исследований. Исследования проводились (2008 – 2010 гг.) на низинном болоте Усальское в подтаежной зоне Тюменской области. Болото Усальское залегает на второй надпойменной озерно-аллювиальной террасе левобережья реки Тобола. Опытный дренажный участок Усалка составляет часть осушительной системы площадью 1300 га, водосбор которой занимает восточную окраину болота Усальское. Исследования проводили на участке гончарного дренажа, заложенного с параметрами: глубина 1,5 м, междренное расстояние – 30 м. Мощность торфяной залежи 2,2 м; основные торфообразователи – осоки, тростник и гипновые мхи. Степень разложения торфа находится в пределах 35 – 40% в верхних горизонтах (0 – 0,4 м), в нижних 10 – 20%. Плотность сложения в 0,4 – метровом слое 0,166 – 0,200 г/см3, полная влагоемкость полуметрового слоя равна 438,4 мм, зольность 7,6 – 10,1%.

Перед закладкой полевого опыта почва на участке была вспахана на глубину 0,25 – 0,27 м с последующей разделкой пласта дисковой бороной в два следа и прикатыванием тяжелым катком. В качестве минеральной добавки использовали предварительно подсушенную глину, подстилающую торфяную залежь. На делянки глину вносили вручную, что обеспечило ее равномерное распределение по площади. После внесения глину тщательно перемешали с торфом в верхнем 0,15 – метровом слое, используя для этого дисковую борону. В оптимальные сроки весной высевали овес сорта Таежник нормой 5,5 млн всхожих зерен на 1 га. Урожайность учитывали сплошным методом в фазу молочно-восковой спелости овса. Размер опытной делянки 10 м2, повторность – шестикратная. Температуру почвы измеряли по глубинам 0 – 0,05, 0,05 – 0,1, 0,1 – 0,2 м через 2 – 3 дня термометрами Савинова на двух несмежных повторениях. Максимальную, срочную и минимальную температуру на поверхности почвы определяли в те же сроки.

Результаты исследования и их обсуждение. Многолетними исследованиями установлено, что в среднем за вегетационный период температура почвы увеличилась по сравнению с контролем от внесения 300 т глины на глубинах 0,05 и 0,1 м на 0,5°, 0,2 м – на 0,2 °С; от внесения 600 т – соответственно на 1,3°, 1,1° и 0,6 °С; 900 т/га – на 1,8°, 1,3° и 0,7 °С. В результате этого торфяная почва получила больше тепла при внесении 300 т глины на глубинах 0,05 и 0,1 м на 53°, 0,2 м – на 21 °С; 600 т – соответственно на 139,1°, 117,7°, 64,2 °С; 900 т/га – на 192,6°, 139,1° и 74,9 °С.

При внесении глины повышение температуры происходит постепенно, начиная с весенних месяцев, достигая максимума к середине лета и снижаясь к осени. Например, увеличение температуры почвы на глубине 0,1 м от внесения 600 т/га глины составляет: в мае 0,7°, в июне 1,3°, в июле 1,7° и в августе 1,0 °С. При внесении 300 и 900 т/га глины сохраняется аналогичная зависимость.

Важно отметить, что с увеличением нормы глины существенно возрастает сокращение сроков весеннего перехода температуры через 10 °С. Так, если на глубине 0,05 м добавление 300 т глины практически не оказало влияния на срок перехода температуры через 10 °С, то при внесении 900 т/га она достигала этой величины на 5 суток раньше. Еще более существенное значение эта величина имеет на глубине 0,1 м – соответственно 4 и 11 суток. Аналогичная зависимость сохраняется на глубине 0,2 м [20, 21, 22].

Данный факт убедительно свидетельствует о повышении теплопроводности торфа при внесении минерального грунта. Повышение теплопроводности почвы обеспечивает снижение температуры на ее поверхности. В среднем за три года в течение вегетационного периода максимальная температура на поверхности почвы от внесения 900 т/га глины была на 1,9 °С ниже, чем на контрольных делянках. При этом максимальное различие (2,1 – 2,3 °С) отмечено в июне – июле, т.е. в период самой высокой температуры воздуха. В конце вегетации (третья декада августа) максимальная температура на поверхности почвы при внесении 600 – 900 т/га глины была ниже на 1 – 1,3 °С ее величины по сравнению с контролем.

Исследованиями установлено, что максимальная температура на поверхности почвы существенно зависит от погодно-климатических условий. Например, средняя температура воздуха в течение вегетационного периода 2009 г. составила 14,3 °С (норма 15,0 °С), осадков выпало 409,6 мм (175,5% к норме). Влажность почвы в течение практически всего вегетационного периода 2009 г. на контрольных делянках была близка к величине наименьшей влагоемкости. При внесении высоких норм глины (600 – 900 т/га) она снижалась на 10 – 15 % к контролю. В результате снижения теплоемкости на поверхности почвы при внесении 900 т/га глины максимальная температура в среднем за вегетацию составила 26,3°, что на 1,1 °С ниже, чем в контроле. Максимальная разница (2,9 °С) отмечена в июне. В течение вегетационного периода 2010 г. осадков выпало 277 мм (118,7 % к норме). В июле – августе температура воздуха была ниже, чем в 2009 г., на 1,8 – 2,4 °С, что отстает от нормы на 1,4 – 2,7 °С. В результате низкой температуры воздуха максимальное ее значение на поверхности почвы в контроле было на 2,0 °С меньше по сравнению с предыдущим годом. На делянках с внесением 600 – 900 т/га глины снижение к контролю составило соответственно 0,8 – 1,6 °С (табл. 1).

Внесение 300 т/га глины во влажные годы с низкой температурой воздуха не оказывает положительного влияния на снижение максимальной температуры на поверхности почвы.

Таблица 1

Среднедекадная максимальная температура на поверхности торфяной почвы в течение вегетационного периода (среднее за 3 года), °С

Месяц

 

Декада

 

Контроль

 

Глина, т/га

300

600

900

Май

III

27,8

28,2

27,6

26,3

Июнь

 

I

II

III

26,0

28,7

28,6

26,2

29,8

29,9

24,5

28,0

25,1

23,9

28,0

24,5

Июль

 

I

II

III

33,1

28,0

27,6

34,4

29,3

28,8

31,0

27,7

25,9

29,4

27,7

25,5

Август

 

I

II

III

23,3

24,6

20,8

23,8

24,1

20,6

22,1

23,8

19,8

22,3

23,2

19,5

Сентябрь

 

I

II

III

17,2

22,8

27,6

17,1

21,9

26,3

16,2

19,1

24,0

16,5

19,7

24,4

 

Применение глины сводило до минимума или полностью предотвращало радиационные заморозки на поверхности почвы в летний период (табл. 2).

Максимальное количество заморозков было отмечено в 2010 г., когда на контрольных делянках отрицательная температура на поверхности почвы была зафиксирована пять раз в третьей декаде мая и четыре раза в первой декаде июня. Самые сильные заморозки на контрольных делянках отмечены 20 мая (- 3,6 °С) и третьего июня (- 4,8 °С), в то время как на делянках, где было внесено 900 т/га глины, температура составляла – 2,4 и 0,1 °С.

Таблица 2

Влияние глины на величину заморозка на поверхности почвы, °С

Год

 

Дата

 

Контроль

 

Глина, т/га

300

600

900

 

 

2009

23.V

- 1,8

- 1,2

- 1,2

- 0,9

26.V

- 4,6

- 1,7

- 1,4

- 1,2

30.V

- 1,3

- 0,6

- 0,7

- 0,6

5.VI

- 1,8

- 0,3

0,2

0,3

6.VI

- 1,2

- 0,5

- 0,2

- 0,1

9.VI

- 1,5

- 0,6

- 0,5

- 0,3

 

 

 

2010

 

19.V

- 2,9

- 2,7

- 2,1

- 2,7

20.V

- 3,6

- 3,4

- 2,8

- 2,4

21.V

- 2,6

- 0,5

- 0,3

- 0,1

27.V

- 2,8

- 1,4

- 0,9

0,1

28.V

- 2,0

- 0,6

- 0,4

1,0

2.VI

- 1,2

2,4

2,6

2,4

3.VI

- 4,8

- 0,2

-

0,1

6.VI

- 1,5

1,2

2,5

2,1

10.VI

- 1,5

2,2

4,0

5,0

 

Важно отметить, что при внесении повышенных норм глины (600 и 900 т/га) в июне не было отмечено ни единого случая снижения температуры на поверхности почвы ниже 0 °С. Это указывает на то, что на контрольных делянках и при внесении 300 т/га глины потери тепла поверхностью торфяной почвы восполняются его притоком из нижних слоев в меньшей степени, чем при повышенных нормах. Данный вывод согласуется с результатами определения минимальной температуры на поверхности почвы.

Следует отметить, что при внесении всех норм глины минимальная температура на поверхности почвы была в среднем за вегетацию выше на 0,4 – 1,4 °С, чем в контроле (табл. 3).

Таблица 3

Среднедекадная минимальная температура на поверхности торфяной почвы в течение вегетационного периода (среднее за 3 года), °С

Месяц

 

Декада

 

Контроль

 

Глина, т/га

300

600

900

Май

 

III

2,7

4,1

4,0

4,1

 

Июнь

 

I

0,2

1,9

2,6

2,6

II

4,9

6,1

8,2

8,1

III

5,4

7,0

7,4

7,3

 

Июль

 

I

11,3

11,5

11,9

12,3

II

8,5

9,1

9,9

9,7

III

9,3

9,6

9,9

9,7

 

Август

 

I

8,5

9,3

9,8

10,0

II

10,7

10,4

11,5

11,8

III

4,9

4,9

5,8

5,9

 

Сентябрь

 

I

8,4

8,8

8,5

9,3

II

4,1

5,1

5,8

5,9

III

3,1

3,4

3,8

3,8

 

Максимальная величина (1,4 °С) установлена на варианте с внесением 900 т/га глины. Наибольшие различия в минимальной температуре поверхности почвы получены в первую половину вегетации. Так, в третьей декаде мая разница по сравнению с контролем на вариантах с внесением глины составила 1,3 – 1,4°, в июне – 1,5 – 2,6°, в июле – 0,4 – 0,9°, в августе – 0,2 – 1,2 °С.

Для торфяной почвы характерны значительные суточные амплитуды температуры на ее поверхности. В конце мая они составляют в среднем 25,1°, в июне 23,2 – 25,8°, в июле 18,3 – 21,8°, в августе 13,9 – 15,9 °С. В отдельные дни амплитуды достигают 40 – 50 °С. Внесение 600 – 900 т/га глины уменьшает амплитуду среднесуточной температуры на поверхности почвы в среднем за вегетацию на 3,3 – 3,5 °С. В июне снижение амплитуды по отношению к контролю максимально, которое составляет 4,5 – 4,8 °С (табл. 4).

Таблица 4

Амплитуда среднесуточной температуры на поверхности торфяной почвы в течение вегетационного периода (среднее за 3 года), °С

Месяц

 

Декада

 

Контроль

 

Глина, т/га

300

600

900

Май

III

25,1

24,1

23,6

22,2

 

Июнь

 

I

25,8

24,3

21,9

21,3

II

23,8

23,7

19,8

19,9

III

23,2

22,9

17,7

17,2

 

Июль

 

I

21,8

22,9

19,1

17,1

II

19,5

20,2

17,8

18,0

III

18,3

19,2

16,0

15,8

 

Август

 

I

14,8

14,5

12,3

12,3

II

13,9

13,7

12,3

11,4

III

15,9

15,7

14,0

13,6

 

По мере прогревания почвы суточная амплитуда снижается на всех изучаемых вариантах. Без внесения грунта она сокращается с мая по конец августа в 1,7 раза, с использованием 600 – 900 т/га глины – в 1,8 раза.

Таблица 5

Урожайность зеленой массы овса на торфяной почве в зависимости от нормы внесения глины, т/га

Вариант

 

Год

Среднее

Прибавка к контролю

2008

2009

Контроль

 

21,70

19,68

20,69

-

Глина, т/га:

300

 

28,60

 

27,26

 

27,93

 

+ 7,24

600

30,05

28,70

29,37

+ 8,68

900

30,15

30,77

30,46

+ 9,77

НСР05

1,31

1,14

 

 

 

Улучшение микроклимата торфяной почвы оказало положительное влияние на урожайность зеленой массы овса (табл. 5). Максимальная прибавка 9,77 т/га (47,2 %) получена при внесении 900 т/га глины. При этом следует отметить, что увеличение нормы глины с 300 до 900 т/га повышает урожайность зеленой массы овса на 2,53 т/га (9,0%).

Заключение. Осушаемые торфяные почвы из-за специфических тепловых свойств торфа обладают неудовлетворительным тепловым режимом для успешного возделывания многих сельскохозяйственных культур. Плохая теплопроводность торфа и сильная отдача тепла поверхностными слоями является основной причиной частых радиационных заморозков. Темный цвет торфяных почв способствует сильному поглощению тепла и перегреву их в солнечные дни (до 50 °С), в связи с чем для торфяных почв характерна большая амплитуда суточных колебаний температур (13,9 – 25,8 °С).

Внесение глины в торфяную почву изменяет тепловые свойства торфа, улучшает теплообмен между поверхностью и более глубокими слоями почвы, повышает температуру в 0,2 – метровом слое на 0,35 – 1,3 °С в среднем за вегетацию, уменьшает амплитуду суточных колебаний температуры на 3,3 – 3,5 °С, практически исключает возможность появления радиационных заморозков.

Улучшение микроклимата торфяной почвы за счет внесения глины оказывает положительное влияние на урожайность зеленой массы овса. Максимальная прибавка 9,77 т/га (47,2%) получена при внесении 900 т/га глины. Увеличение нормы глины с 300 до 900 т/га повышает урожайность зеленой массы овса незначительно (2,53 т/га, 9%).

References

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. Mazhayskiy Yu.A., Kurchevskiy S.M. Povyshenie produktivnosti melkozalezhnyh torfyanyh pochv pri vnesenii mineral'nyh dobavok // Agrohimicheskiy vestnik. 2015. № 1. S. 15 - 17.

5. 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 g. Str. 66-72.

6. Pavlova K.K. Teplovye svoystva deyatel'nogo sloya bolot // Nauch. tr. GGI. - L., 1969. Vyp. 177. - S. 119 - 155.

7. Kalinina V.V. Vliyanie peskovaniya na izmenenie svoystv i plodorodie torfyanyh pochv // Nauch. tr. SevNIIGiM. - L., 1966. - Vyp. 25. - S. 133 - 144.

8. Iglovikov A.V. Biologicheskaya rekul'tivaciya kar'erov v usloviyah Kraynego Severa / A.V. Iglovikov. Dissertaciya na soiskanie uchenoy stepeni kandidata sel'skohozyaystvennyh nauk. - Altayskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet. Barnaul, 2012.

9. Kulikov Ya.K. Pochvenno-ekologicheskie osnovy optimizacii sel'skohozyaystvennyh ugodiy Belarusi. - Minsk: BGU, 200. - S. 24 - 32.

10. Eyzen I.A. O vliyanii teplovogo rezhima meliorirovannyh pochv na rost kul'turnyh rasteniy v usloviyah Estonskoy SSR // Gidrotehnika i melioraciya. 1960. № 10 S. 16 - 23.

11. Koksharov V.P. Nauchnye osnovy kartofelevodstva Srednego Urala - Bogdanovich: Sverdlovpoligrafizdat, 1989. - 219 s.

12. Gol'cberg I.A. Mikroklimaticheskie osobennosti osushennyh bolot // Meteorologiya i gidrologiya. 1955. № 2. - S. 12 - 17.

13. Belkovskiy V.I., Dautina M.B., Zagurskiy M.V. Regulirovanie mikroklimata torfyanyh pochv // Nauch. tr. BelNIIMiVH. - Minsk: Urozhay, 1974. - T. 22. - S. 177 - 194.

14. Eliseeva V.M. O putyah sel'skohozyaystvennogo osvoeniya nizinnyh bolot taezhnoy zony Tomskoy oblasti. - Tomsk: Izd-vo Tom. un-ta, 1963. - 97 s.

15. Bushina O.N. Ocenka termicheskogo effekta razlichnyh sposobov peskovaniya torfyanogo massiva na matematicheskoy modeli // Povyshenie effektivnosti melioriruemyh zemel' Vostochnoy Sibiri. - Krasnoyarsk, 1987. - S. 48 - 54.

16. Iglovikov A.V. Priemy optimizacii vodno-teplovogo rezhima narushennyh gruntov v usloviyah Kraynego Severa // Sibirskiy vestnik sel'skohozyaystvennoy nauki. 2017. T.47. №5(258). S. 23-32. DOI:https://doi.org/10.26898/0370-8799-2017-5-3

17. Mukina L.R. Teoreticheskie i prakticheskie osnovy sozdaniya ustoychivo funkcioniruyuschih agroekosistem na torfyanyh pochvah Sredney Sibiri: avtoref. diss…… d-ra s.-h. nauki. - Krasnoyarsk, 2000. - 56 s.

18. Motorin A.S. Ocenka sostava organicheskogo veschestva osushaemyh torfyanyh pochv Severnogo Zaural'ya / A.S. Motorin, A.V. Iglovikov // Izv. OrenburgGAU. - 2018. - № 6 (74). - S. 12-15.

19. Chigir V.G. Teplovaya melioraciya dlitel'no sezonno-merzlotnyh pochv. - M: Nauka, 1978. - 147 s.

20. Motorin A.S. Torfyanye pochvy Zapadnoy Sibiri i ih plodorodie - Novosibirsk: Nauka, 2019. - 336 s. 2

21. Iglovikov A., Motorin A. Composition of Organic Matter in Peat Soils of the Northern Trans-Urals Depending on Groundwater Level. / A. Iglovikov, A. Motorin. // V sbornike: E3S Web of Conferences. Innovative Technologies in Environmental Science and Education, ITESE 2019. 2019. S. 01004.

22. Motorin, A. S., & Iglovikov, A. V. (2018). Assessment of group composition of peat organic matter for industrial processing. Paper presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 194(4) doihttps://doi.org/10.1088/1755-1315/194/4/042016

Login or Create
* Forgot password?