ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В статье приведены результаты моделирования распространения тепла в почве при различных нормах осушения. Предложена методика позволяет, используя математическое моделирование, получить температурный профиль почв, что положено в основу оценки изменения температурного и теплового режимов естественных и осушенных земель Белорусского Полесья. Полученные в работе результаты позволят с большей отдачей использовать мелиорированные земли в сельском хозяйстве.
Белорусское Полесье, торфяно-болотная почва, дерново-подзолистая почва, мелиорация, температура, теплоёмкость, количество теплоты
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. Журавлёв М.З Плодородие низинных болот подтаёжной зоны Иртыш-Ишимского междуречья и некоторые вопросы их сельскохозяйственного использования // Науч. тр. ОмСХИ. Омск, 1963. Т. 1. С. 61- 70.
2. Моторин А.С. Плодородие торфяных почв Западной Сибири /А.С. Моторин // Мелиорация и водное хозяйство. 2020. № 1. С 16-22.
3. Курчевский С.М., Поднебесная Э.И. Сравнительная оценка пескования и глинования для повышения продуктивности торфяных почв // Агрохимический вестник. 2013. № 2. С. 27-28.
4. Государственный земельный кадастр Республики Беларусь (по состоянию на 1 января 2021 г.) Комитет по земельным ресурсам, геодезия и картография. Минск, 2021.
5. Мажайский Ю.А., Курчевский С.М. Повышение продуктивности мелкозалежных торфяных почв при внесении минеральных добавок // Агрохимический вестник. 2015. № 1. С. 15-17.
6. Игловиков А.В., Моторин А.С. Физико-химические свойства и питательный режим нарушенных грунтов Крайнего Севера при биологической рекультивации / А.В. Игловиков, А.С. Моторин // Аграрный вестник Урала. № 7 (99). 2012. С. 66-72.
7. Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика (Физика горных пород): Учеб. для вузов. 2-ое изд. перераб. и доп. под ред. Д.А. Кожевникова. М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004, 368 с.
8. Почвоведение / О.В. Кормилицина [и др.]; под общ. ред. В. А. Рожкова. М.: Изд-ий дом «Лесная промышленность», 2006. 272 с.
9. Природообустройство Полесья: монография: в 4 кн. / под общ. науч. ред. Ю.А. Мажайского [и др.]. Брест; Ровно; Варшава; Рязань: Мещерский филиал ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, 2019. Кн. 1: Белорусское Полесье. Т. 2: Преобразование и использование природных ресурсов. 503 с.
10. Хабутдинов, Ю.Г., Шанталинский К.М, Николаев А.А. Учение об атмосфере: учебное пособие. Казань: гос. ун-т, 2010. 257 с.
11. Волчек, А.А., Шведовский П.В., Шешко Н.Н. Гидравлика, гидрология, гидрометрия: учебное пособие; под общ. ред. А.А. Волчека. М., Изд-во Кнорус, 2021. 520 с.
12. Мезенцев В.С. Гидрологические расчёты в мелиоративных целях: учебное пособие. Часть 1. / В.С. Мезенцев, Г.В. Белоненко, И.В. Карнацевич, В.В. Лоскутов. Омск: Омский СХИ, 1980. 81 с.
13. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Изд-во МГУ, 1999. 799 с.
14. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур / Р.А. Полуэктов [и др.]. СПб.: Изд-во С-Петерб. ун-та, 2006. 799 с.
15. Хворова Л.А., Топаж А.Г. Динамическое моделирование и прогнозирование в агрометеорологии. Барнаул: Изд-во Алтайского гос. ун-та, 2010. 262 с.
16. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Из-во МГУ, 2005. 432 с.
17. Хворова Л.А., Жариков А.В. Численное моделирование составляющих теплового режима почв Алтайского Приобья. Журнал Известия АГУ. 2013. № 1. Т. 1. С. 126-130.
18. Болотов А.Г. Измерение температуры почвы с помощью технологии 1-Wire. Вест. Алтайского гос. аграрного ун-та., 2012. № 11. С. 29-30.
19. CS230 Temperature Profiler. Revision: 4 /17: instruction manual // Campbell Scientific [Электронный ресурс]. URL: https: www.cs230.pdf (дата обращения: 14.02.2021).
20. Определение профильного распределения температуры почвы на основании температуры ее поверхности / Е.В. Шеин [и др.] // Журнал Земледелие. 2018. № 7. С. 26-29.
21. Волчек А.А., Борушко В.В. Оценка влияния осушения на тепловой режим почв Полесья. Комплексные проблемы техносферной безопасности. Научный и практический подходы к развитию и реализации технологий безопасности. Сборник тезисов по материалам XVII Междун. науч.-практ. конф.. Воронеж, 2021. С. 57-58.
22. Мажайский Ю.А. Природообустройство Полесья: монография в 4 кн. / Ю.А. Мажайский, А.Н. Рокочинский, А.А. Волчек, О.П. Мешик, Е. Езнах. Рязань: Мещер. ф-л ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А. Н. Костякова», 2018.Кн. 1: Белорусское Полесье. Т. 1: Природно-ресурсный потенциал. 408 с.
23. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. М.: Высшая школа, 1990. 208 с.
24. Борушко В.В., Волчек А.А., Гладковский В.И. К вопросу о влиянии осушения на тепловой режим мелиорированных земель Белорусского Полесья / В.В. Борушко // Актуальные проблемы наук о земле: использование природных ресурсов и сохранение окружающей среды. Сб. материалов междун. науч.-практ. конф., посвящённой Году науки в Республике Беларусь. Брест: БрГУ имени А. С. Пушкина, 2017. Ч. 2. С. 6-9.
25. Волчек А.А., Борушко В.В. Оценка влияния осушения на тепловой режим почв Полесья. Комплексные проблемы техносферной безопасности. Научный и практический подходы к развитию и реализации технологий безопасности. Сборник статей по материалам XVII Междун. науч.-практ. конф.. Воронеж, 2021. С. 368-374.
26. WeatherOnline Ltd. - Meteorological Services [Электронный ресурс]. URL: https:www.weatheronline.co.uk/Temperature/Brest/Climate Robot Belarus/ (дата обращения: 10.12.2020).
27. Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. Воронеж: ВГПУ, 2007. 183 с.
28. Михайлюк Ю.И., Мазитова А.К., Кудоярова Р.Р. Ориентировочная основа действий при изучении химии элементов в курсе общей химии: учебное пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. 197 с.
29. Горбылёва А.И., Андреева Д.М., Воробьёв В.Б., Петровский Е.И. Почвоведение с основами геологии: учебн. пособие. Мн.: Новое знание, 2002. 480 с.
30. ГПО «Белэнерго» [Электронный ресурс]. URL: https:www.energo.by/content/deyatelnost-obedineniya/osnovnye-pokazateli/ (дата обращения: 22.12.2021).
