РЕГУЛИРОВАНИЕ МИКРОКЛИМАТА ОСУШАЕМЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Изложены результаты многолетних (2008 – 2010 гг.) исследований микроклимата осушаемых торфяных почв подтаежной зоны Северного Зауралья. Показано, что осушаемые торфяные почвы из-за специфических тепловых свойств торфа обладают неудовлетворительным температурным режимом для успешного возделывания многих сельскохозяйственных культур. Плохая теплопроводность торфа и сильная отдача тепла поверхностными слоями являются основной причиной частых радиационных заморозков. Темный цвет торфяных почв способствует сильному поглощению тепла и перегреву их в солнечные дни до 45 – 50 °С, в связи с чем для них 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 300 т/га глины обеспечивает прибавку 7,24 т/га (35,0%) урожайности зеленой массы овса. Увеличение нормы глины с 300 до 900 т/га повышает урожайность зеленой массы овса незначительно (2,53 т/га – 9%).

Ключевые слова:
торфяная почва, теплоемкость, теплопроводность, температура, заморозок, минеральный грунт
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

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%).

Список литературы

1. Журавлев М.З. Плодородие низинных болот подтаежной 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. Мажайский Ю.А., Курчевский С.М. Повышение продуктивности мелкозалежных торфяных почв при внесении минеральных добавок // Агрохимический вестник. 2015. № 1. С. 15 - 17.

5. 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 г. Стр. 66-72.

6. Павлова К.К. Тепловые свойства деятельного слоя болот // Науч. тр. ГГИ. - Л., 1969. Вып. 177. - С. 119 - 155.

7. Калинина В.В. Влияние пескования на изменение свойств и плодородие торфяных почв // Науч. тр. СевНИИГиМ. - Л., 1966. - Вып. 25. - С. 133 - 144.

8. Игловиков А.В. Биологическая рекультивация карьеров в условиях Крайнего Севера / А.В. Игловиков. Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук. - Алтайский государственный аграрный университет. Барнаул, 2012.

9. Куликов Я.К. Почвенно-экологические основы оптимизации сельскохозяйственных угодий Беларуси. - Минск: БГУ, 200. - С. 24 - 32.

10. Эйзен И.А. О влиянии теплового режима мелиорированных почв на рост культурных растений в условиях Эстонской ССР // Гидротехника и мелиорация. 1960. № 10 С. 16 - 23.

11. Кокшаров В.П. Научные основы картофелеводства Среднего Урала - Богданович: Свердловполиграфиздат, 1989. - 219 с.

12. Гольцберг И.А. Микроклиматические особенности осушенных болот // Метеорология и гидрология. 1955. № 2. - С. 12 - 17.

13. Белковский В.И., Даутина М.Б., Загурский М.В. Регулирование микроклимата торфяных почв // Науч. тр. БелНИИМиВХ. - Минск: Урожай, 1974. - Т. 22. - С. 177 - 194.

14. Елисеева В.М. О путях сельскохозяйственного освоения низинных болот таежной зоны Томской области. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1963. - 97 с.

15. Бушина О.Н. Оценка термического эффекта различных способов пескования торфяного массива на математической модели // Повышение эффективности мелиорируемых земель Восточной Сибири. - Красноярск, 1987. - С. 48 - 54.

16. Игловиков А.В. Приемы оптимизации водно-теплового режима нарушенных грунтов в условиях Крайнего Севера // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2017. Т.47. №5(258). С. 23-32. DOI:https://doi.org/10.26898/0370-8799-2017-5-3

17. Мукина Л.Р. Теоретические и практические основы создания устойчиво функционирующих агроэкосистем на торфяных почвах Средней Сибири: автореф. дисс…… д-ра с.-х. науки. - Красноярск, 2000. - 56 с.

18. Моторин А.С. Оценка состава органического вещества осушаемых торфяных почв Северного Зауралья / А.С. Моторин, А.В. Игловиков // Изв. ОренбургГАУ. - 2018. - № 6 (74). - С. 12-15.

19. Чигир В.Г. Тепловая мелиорация длительно сезонно-мерзлотных почв. - М: Наука, 1978. - 147 с.

20. Моторин А.С. Торфяные почвы Западной Сибири и их плодородие - Новосибирск: Наука, 2019. - 336 с. 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. // В сборнике: E3S Web of Conferences. Innovative Technologies in Environmental Science and Education, ITESE 2019. 2019. С. 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

Войти или Создать
* Забыли пароль?