УДК 630* 228(23) Битюков Н.А. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ И ТЕПЛООБМЕН

УДК 630* 228(23)
Битюков Н.А.
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ И ТЕПЛООБМЕН
БУРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПОД БУКНЯКАМИ
Сочинский государственный университет
Приведены результаты экспериментального изучения теплового режима
бурых лесных почв под буковыми насаждениями в среднегорной зоне
Черноморского побережья Кавказа. Материалы получены на малых водосборах,
пройденных опытными рубками, а также на контрольном водосборе
с
нетронутыми древостоями.
Ключевые слова: микроклимат почвы, температура почвы, тепловой
баланс, буковые леса, Черноморское побережье Кавказа
Температурный режим почвы представляет собой один из основных
элементов климата почвы. Впервые вопрос о климате почвы был поднят
П.А.Костычевым в 1886 г. и получил дальнейшее развитие в работах
С.С.Неуструева
(1930),
С.В.Кравкова
(1937),
К.П.Горшенина
(1939),
М.И.Филатова (1945), П.И.Колоскова (1946) и др. Наиболее полное определение
понятия климата почвы дано А.М.Шульгиным (1967), рассматривающим его
как многолетний режим температуры и влажности почвы, а также их
географическое распределение, зависящее от комплекса природных факторов и
производственной деятельности человека.
Литература по теплообмену в почве чрезвычайно обширна. Большей
частью она посвящена изучению температурного режима почв, находящихся в
культурном обороте (Сапожникова, 1950; Димо 196З, 1967; Рубинштейн, 1960;
Копанев, 1965; Головин, 1962; Шульгин, 1948 и др.). Обзор этих работ
приводится
в
монографиях
Шульгина
(1957, 1967). Влияние
лесных
насаждений на температуру почв рассмотрено Н.С.Нестеровым (1909);
М.И.Сахаровым (1948); А.П.Травлеевым (1960); Н.Д.Пустовойтовым (1964);
Н.Д.Взнуздаевым (1967); И.Н.Елагиным и В.Ф.Изотовым (1968) и др.
Многочисленные
данные
свидетельствуют
о
решающей
роли
растительного покрова среди факторов, влияющих на температурный режим
почв, несколько меньшее значение имеет экспозиция склонов. Так, лес
охлаждает почву летом и yвеличивает ее температуру зимой, уменьшая годовые
амплитуды температуры. Причем температура верхних слоев почвы изменяется
в связи с возрастом и сомкнутостью древостоя. Особо отмечают влияние на
температуру почвы в лесу лесной подстилки, состоящей из отмерших
органических остатков, между которыми находится воздух, и теплопроводность
которой меньше теплопроводности почвы (Молчанов, 1952; Травлеев, 1960 и
др.).
В программу изучения температурного режима почв на стационаре
“Аибга”(подробное описание см. в работах [1] и [2]) входили ежедневные
наблюдения за температурой почвы на 4-х метеоплощадках под пологом леса и
на 2-х метеоплощадках на открытом месте – на вырубке и у стены леса.
Измерения проводили с помощью электротермометров AM-2M, датчики
которых устанавливали под пологом до глубины 1 м через 10 см, а на открытом
месте – до 0,9 м через 20 см.
Температурный режим почвы рассматривается на примере конкретных
погодных условий 1967 г. За гидрологический год, т.е. с ноября 1966 г. по
октябрь 1967 г. произошел полный цикл расходования теплозапасов зимой и
новое их накопление за вегетационный период. В начале гидрологического года
в метровом слое почвы наблюдалось осеннее выравнивание температур при
12 оС. В течение ноября и декабря поверхностные горизонты постепенно
охлаждались за счет понижения температуры воздуха и уменьшения притока
солнечной радиации.
Охлаждение более глубоких слоев шло гораздо медленнее (около 0,1 оС в
день), поэтому к концу декабря разница между температурами на поверхности
почвы и на глубине 1,0 м достигла 7,0о. Затем в начале января эта разница
несколько уменьшилась из-за наступившего потепления, а во втоpoй половине
января почва покрылась снегом.
В течение всей зимы выпавший глубокий снежный покров и мощная
лесная подстилка предохраняли поверхностные слои почвы от промерзания. В
самые сильные морозы, когда среднесуточная температура воздуха была -13,6
о
С, а минимум достигал -17 оС, температура под подстилкой не опускалась ниже
0,1 °С. Колебания температуры почвы под снегом в течение почти 2-х месяцев
не превышали 0,6 оС. Однако охлаждение всего метрового слоя продолжалось
всю зиму и достигло наибольшей степени к середине марта (при температуре на
поверхности 0,4 оС, а на глубине 1,0 м – 3,9 оС). В начале апреля приток
солнечной радиации обусловил прогревание поверхностных горизонтов и
выравнивание температур по метровому профилю при 5-6 оС.
Начало вегетационного периода характеризовалось температурами на
поверхности почвы 8-13 оС, а на глубине 1,0 м – 6-7 оС. В апреле и мае
распространение тепла вглубь шло интенсивно вследствие сравнительно
большой теплопроводности влажной почвы. С уменьшением теплопроводности
(по мере иссушения почвы) и поступления тепла под полог леса скорость
проникновения тепла вглубь снижается; так, термоизоплета 10о в мае
продвигалась со средней скоростью около 4 см/сут., а термоизоплета 14о – около
1,5 см/сут.
Прогревание метрового слоя продолжалось до начала сентября. Максимум
температуры на поверхности почвы отмечен в середине августа, а на глубине 1
м – на 25 дней позже. Последние два месяца вегетационного периода
происходило охлаждение почвы с постепенным выравниванием температур по
профилю, и к концу вегетации температура около 12 оС наблюдалась по всему
метровому слою.
Суточные колебания температуры почвы под пологом леса имеют
наибольшие значения ранней весной, когда почва мало защищена от
воздействия прямых солнечных лучей. В это время амплитуда колебаний
температуры поверхности почвы в безоблачный день превышает 10о. Изучение
температуры почвы в течение дня в ясную погоду показывает, что в этих
условиях температура поверхности почвы изменяется от 5,1 оС (в 7-8 ч) до 15,4
о
С (в 15 ч). Кривая суточного хода температуры почвы имеет два пика –
аналогично суточному ходу солнечной радиации под пологом. На глубине 5 см
температура изменялась от 6,3 оС утром до 9,5 оС в 16-18 ч, а на 15 см – от 6,2
до 8,0 оС.
Амплитуды суточных изменений температуры составили на поверхности
10,3 оС, на глубине 5 см – 3,2о, на глубине 10 см – 2,4о, на глубине 20 см – 0,8о,
на глубине 40 см – 0,3 оС. Следовательно, суточные колебания температуры
почвы в лесу распространяются до глубины 40 см при наиболее благоприятных
условиях – отсутствии затенения лесным пологом весной и солнечной погоде.
При полном облиствении суточная амплитуда температуры даже на
поверхности
почвы
резко
уменьшается
(до
1,0-2,2
о
С),
а
глубина
распространения суточных колебаний не превышает 20 см. Лишь осенью, с
опадением листвы, суточные колебания температуры увеличиваются до 4-5 оС.
Температура почвы на открытом месте (у стены леса и на вырубке) имеет
более резкий годовой ход по сравнению с температурным режимом под
кронами. Так, зимой охлаждение по всему метровому слою почвы приводит к
тому, что температура на вырубке (на глубине 0,9 м) на 0,9-1,3о ниже, чем в
лесу. Из-за отсутствия лесной подстилки на вырубке минимальная температура
в поверхностном слое под снегом достигла -0,1 оС. Минимум теплозапасов
отмечен в первой декаде марта; при этом температура на глубине 0,9 м
опустилась до 2,9 оС. Весеннее прогревание в поверхностных горизонтах на
вырубке на 3-6о опережало аналогичный процесс под пологом. Максимум
температуры на поверхности почвы на вырубке смещен на первую декаду мая
(34,1 оС), поскольку развитие травяного покрова в дальнейшем предохраняло
почву от перегревания. Максимум теплозапасов приходится на 3-ю декаду
августа при температуре от 20,3 оС на поверхности до 17,0 оС на глубине 0,9 м.
Во второй половине вегетационного периода тепловые запасы постепенно
убывают, а в конце вегетации наблюдается наложение друг на друга волн
холода, распространяющихся по профилю.
Таким образом, под пологом леса температурный режим характеризуется
положительными температурами и довольно плавным их изменением в течение
года
по
наблюдаемому
профилю
почвы.
Наибольшим
температурным
воздействием подвергается верхний 10-сантиметровый слой, где отмечаются
максимальные вертикальные градиенты. Большое влияние на температурный
режим оказывают выпадающие летом и осенью ливневые осадки; они
выравнивают температуру по глубине за счет увеличения коэффициента
теплопроводности и переноса тепла гравитационной влагой.
На
вырубках
температурный
режим
отличается
гораздо
большей
интенсивностью процессов прогревания и охлаждения почвенных горизонтов.
При этом наиболее резкие колебания температуры распространяются глубже,
чем в лесу, – до 30 см. Температурный режим здесь во многом зависит от
развития напочвенного травяного покрова, защищающего поверхность почвы от
воздействия прямых солнечных лучей.
Описанный выше режим температуры почвы под пологом леса в основных
чертах повторяется ежегодно (табл. 1). Как показали наблюдения, особенности
каждого года состоят, прежде всего, в различной степени зимнего охлаждения.
При устойчивом снежном покрове охлаждение метрового слоя происходит
равномерно, и к началу вегетационного периода температура на глубине 1,0 м
опускается до 3-4 оС. При отсутствии устойчивого снежного покрова и в
теплые зимы почва не получает значительного охлаждения,
и
к началу
вегетационного периода температура на глубине 1,0 м снижается до 6-7 оС.
Исходя из данных табл. 1, следует, что максимальные температуры под
пологом в метровом слое изменялись в течение трех вегетационных периодов
от 14,6 до 21,8 оС, а на вырубке – от 16,4о до 34,1 оС.
Таблица 1.
Экстремумы температуры почвы по горизонтам
за вегетационные периоды
Глубина
Температура почвы в вегетационные периоды, оС
слоя, см
1967 год
наи-
1968 год
наиме амплит
больш ньшая
уда
ая
наи-
1969 год
наиме амплит
больш ньшая
уда
ая
наи-
наиме ампл
больш ньшая
ая
итуда
Средняя под пологом леса
Поверхно
сть
21,7
5,5
16.2
19.5
9.8
9.7
21.8
2.4
19.4
10
18,2
4,8
13.4
18.6
5.5
12.2
19.0
5.6
13.4
30
16,9
5,0
11.9
16.8
4.6
12.4
17.8
7.9
9.9
50
16,1
4,8
11.3
16.2
4.3
11.9
16.9
7.4
9.5
70
15,2
4,5
10.7
15.5
4.0
11.5
16.3
7.6
8.7
90
14,6
4,3
10.3
14.9
4.0
10.9
15.5
6.8
8.7
Средняя на вырубке
Поверхно
сть
34.1
6.2
27.9
30.0
10.9
19.1
27.2
2.8
24.4
10
24.3
6.4
17.9
20.0
5.0
15.0
20.5
4.3
16.2
30
20.0
5.3
14.7
18.9
4.4
14.5
19.4
6.9
12.5
50
18.7
5.0
13.7
–
–
–
18.9
6.9
12.0
70
18.2
4.8
13.4
18.1
3.8
14.3
17.9
7.8
10.1
90
17.3
4.4
12.9
16.4
3.6
12.8
17.0
7.2
9.8
Минимальные температуры более устойчивы во времени (2,4-9,8 оС в лесу и
2,8-10,9
о
С на вырубке). Наибольшая амплитуда колебаний температуры
присуща верхнему 10-сантиметровому слою, причем нa вырубке в этом слое
температура в течение вегетации почти в 2 раза больше, чем в лесу. С глубиной
амплитуда колебаний уменьшается, и разница между вырубкой и лесом
сглаживается; тем не менее она остается по всей наблюдаемой глубине – под
пологом леса амплитуда изменений температур на 15-20% меньше, чем на
вырубке.
Средняя за вегетацию температура почвы убывает с глубиной (табл. 2),
причем более интенсивно – в верхних слоях, и гораздо медленнее – на глубине
70-90 см. На вырубках весь метровый слой в течение вегетации теплее, чем под
пологом, на 0,5-5,8 оС, и убывание температуры с глубиной, особенно в
поверхностных горизонтах, происходит в несколько раз быстрее, чем в лесу.
Средние за вегетационный период температуры воздуха и почвы разнятся в
пределах 0,3-1,1о в ту или другую сторону. На вырубке температура на
поверхности почвы выше температуры воздуха в среднем на 3,4-6,0о.
Зависимость между среднесуточными температурами воздуха и поверхности
почвы под пологом древостоя прослеживается достаточно четко. Разумеется,
зависимость эта коррелятивная (вследствие неодинаковых погодных условий
для
каждого
дня) и характеризуется показателем точности 17,3% при
коэффициенте корреляции r ± mr = 0,919 ± 0,013. Аналитическое выражение
связи между температурой воздуха и поверхности почвы под кронами имеет
вид:
Тп = 0,93 t В + 1,6.
(1)
Таблица 2
Распределение средних температур почвы
по глубине за вегетационный период
Метеоплощадка
Температура почвы по слоям, оС
2 см
10 см
30 см
50 см
70 см
90 см
1967 г.
Под пологом леса
14,4
13,0
12,4
12,1
11,4
11,3
У стены леса
17,5
14,1
13,6
13,2
12,8
12,3
На вырубке
20,2
16,8
14,4
13,9
13,6
12,8
1968 г.
Под пологом леса
15,4
13,9
13,0
12,5
12,0
11,6
У стены леса
18,6
16,0
15,1
13,9
13,7
13,1
На вырубке
20,1
15,6
14,7
–
13,5
12,1
1969 г.
Под пологом леса
14,5
13,8
13,4
13,0
12,6
12,2
У стены леса
16,6
16,5
15,8
13,9
13,6
13,3
На вырубке
18,3
15,5
15,3
–
14,2
13,6
Интересно проследить, как глубоко распространяются годовые колебания
температуры почвы в условиях стационара “Аибга”. Экстраполирование
среднемесячных таутохрон метрового слоя дает точку пересечения на глубине
2,7-3,0 м при температуре 9,5-10,0 оС. Полученные экстраполяцией данные
хорошо увязываются с наблюдениями за температурой воды на 4-м ручье в 15 м
ниже по течению от места его выклинивания. Наблюдения, проводившиеся в
зимний период и включавшие наиболее морозные годы, дали колебания
температуры воды в пределах от 9,1 до 10,3 оС. Среднее значение температуры
воды + 9,7 оС, т.е. ручей имеет довольно стабильную температуру воды,
характеризующую температуру глубоких слоев почвы, откуда в ручей
выклиниваются родники.
С другой стороны, определение среднегодовых температур почвы дает для леса
величину 9,5-9,7 оС (кроме поверхности почвы) (табл. 3).
Таблица 3.
Распределение средних температур почвы по глубине за гидр. год
Метеоплощадка
Температура почвы, оС, по слоям
2 см
10 см
30 см
50 см
70 см
90 см
1.XI.1966 г. – 31.X.1967 г.
Под пологом леса
10,2
9,7
9,7
9,7
9,5
9,6
У стены леса
12,1
10,1
10,2
10,2
10,3
10,3
На вырубке
13,6
11,5
10,4
10,4
10,5
10,4
1.XI.1968 г. – 31.X.1969 г.
Под пологом леса
10,0
9,7
9,7
9,8
9,7
9,6
У стены леса
10,9
10,9
10,7
10,2
10,3
10,4
На вырубке
12,0
10,8
10,8
–
10,3
10,3
Таким образом, температурный режим почв под пологом девственных
буковых
древостоев
имеет
свои
особенности,
которые
определяются
своеобразием теплофизических свойств бурых лесных почв и состоят в
следующем. В лесу при среднегодовой температуре 9,6 оС амплитуда ее
колебания на поверхности почвы в течение года достигает 21,6о на глубине 1,0
м – 10,9 оС. Более всего температурным колебаниям подвержен верхний 10сантиметровый горизонт. Суточные колебания температуры почвы затухают на
глубине около 30 см, а годовые – около 3 м. Температура поверхности почвы
при отсутствии снежного покрова достаточно хорошо коррелирует с
температурой воздуха. В рассматриваемых условиях, зимой, благодаря
защитному влиянию подстилки и снежного покрова, почва в лесу никогда не
промерзает. Все это создает благоприятные условия для роста такой
теплолюбивой и влаголюбивой породы, как бук восточный.
Теплофизические свойства почв и теплообмен в почве
Теплообмен в почве представляет собой процесс взаимного обмена тепла
между поверхностью почвы и нижележащими слоями, происходящий в
результате разности температур. Как указывает B.Н.Димо (1963), представление
о теплообмене в почве можно получить при сопоставлении и взаимной увязке
наблюдений за температурным режимом с показателями основных тепловых
характеристик по генетическому профилю.
Исследования теплофизических характеристик почвы (Иконникова, 1960;
Чичуа, 1963, 1955; Каганов, Чудновский, 1948 и др.) показывают, что
важнейшими факторами, влияющими на теплофизические характеристики,
являются влажность почвы и ее плотность. При изменении этих факторов во
времени и пространстве изменяются и теплофизические характеристики.
Следовательно, для достаточно достоверной оценки основных теплофизических
характеристик почвы требуются данные о влажности и плотности почвы, их
распределении по площади и во времени. Зависимость этих характеристик от
влажности нелинейная, а с увеличением плотности они увеличиваются линейно
в прямой пропорции.
Методы определения тепловых характеристик почв рассмотрены в
работах Д.Л.Лайхтмана (1947), А.Ф.Чудновского (1948, 1958), Г.Д.Цейтина
(1952, 1953) и др. Для расчета коэффициента температуропроводности почвы
(К) Г.Х.Цейтин (1953) предлагает следующую формулу:
H
ò [T ( z,t ) - T ( z,0)]dz
M
M1 H - h
0
K= t
, ( 2)
=
=
t
N
N
T ( H ,t ) - T ( h,t )
1
dt
ò [T (0,t ) - T (h,t )] ´ dt + h ò
H -h
H -h
0
0
где:
ì z при 0 £ z £ h
U ( z) = í
îh : ( H - h )( H - z ) при h £ z £ H
(3)
Т – температура; z – глубина ( z = 0 поверхность почвы); h и Н – две глубины
в почве; t – время (t – переменное время, меняющееся от t = 0 до t = t).
Вычислять коэффициент температуропроводности по этой формуле
Г.Х.Цейтин предлагает аналитическим или графическим способами.
Нами использован, как наименее трудоемкий, графический способ
определения коэффициента температуропроводности, состоящий в замене
интегралов
формулы
2
соответствующими
площадями,
измеряемыми
планиметром. Г.Х.Цейтин для удобства вычислений вместо переменной z
вводит новую переменную j(z), определяемую из соотношений dj(z) = U(z),
j(z)|z=h+0 :
ìz2
ï 2 при 0 £ z £ h
ï
.
U ( z) = í
2
ï h éê H - (H - h ) ùú при h £ z £ H
ïî 2 ë
(H - h ) û
(4)
Тогда формула 4 будет выглядеть следующим образом:
H
K=
ò [T(z, t ) - T(z,0)]dj(z)
0
t
t
T(H, t) - T(h, t)
ò [T(0, t) - T(h, t)] + hò H - h dt
0
0
.
(5)
Вычисление коэффициента температуропроводности осуществлено на
основании наблюдений температурного поля в метровом слое почвы в лесу и
на
вырубке.
Поскольку
суточные
изменения
температуры
даже
для
поверхностных слоев незначительны, оказалось невозможным определить
коэффициент температуропроводности по ежечасным наблюдениям; поэтому
были взяты более длительные периоды наблюдений – от 7 до 15 дней. Причем
периоды эти были выбраны с соблюдением следующих двух условий: 1)
изменение влажности почвы в течение периода невелико; 2) нагревание почвы
происходит равномерно. Для расчета теплофизических характеристик весь
метровый профиль почвы был разделен на 3 слоя. Верхний 20-сантиметровый
слой характеризуется наибольшим изменением плотности почвы – в среднем по
участку от 0,60 до 1,06 г/см3 в пределах слоя. Второй слой, проходящий на
глубине 20-50 см, имеет бóльшую плотность – от 1,06 до 1,20 г/см3, а третий
слой (50-100 см) – еще плотнее (от 1,20 до 1,30 г/см3). Для каждого слоя
коэффициент температуропроводности определяли отдельно (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость теплофизических свойств почвы от ее влажности под
пологом буковых насаждений
1 и 4 – слой почвы 0-20 см, 2 и 5 – слой почвы 20-50 см, 3 и 6 – слой почвы
50-100 см
В результате расчетов коэффициента температуропроводности были
получены эмпирические кривые зависимости К от влажности почвы.
Эти кривые подтверждают те общие закономерности изменения теплофизических характеристик почвы, которые рассмотрены выше в обзоре
литературы, однако здесь имеются и свои особенности. Прежде всего обращает
на себя внимание очень низкая температуропроводность верхнего 20сантиметрового слоя, что можно объяснить очень малой его плотностью и
наличием на поверхности почвы теплоизолирующей лесной подстилки. В
среднем слое (20-50 см) температуропроводность уже значительно больше –
почти в 5 раз (при влажности 40%), а в нижнем полуметровом слое – более чем
в 8 раз превышает температуропроводность поверхностного горизонта.
Интенсивный рост коэффициента температуропроводности для каждого
слоя наблюдается при разных величинах влажности: для слоя 0-20 см – 48% ,
для слоя 20-50 см – 38, для слоя 50-100 см – 34-36%. Это объясняется тем, что
полное влагонасыщение для каждого слоя наступает при разной влажности.
Кривые температуропроводности продлены до значений влажности,
практически совпадающей с наименьшей полевой влагоемкостью каждого слоя.
Однако эти кривые имеют тенденции дальнейшего роста при увеличении
увлажнения и появлении свободной гравитационной влаги.
Для сравнения тепловых свойств почвы под пологом не тронутых рубкой
насаждений и на вырубках приводятся результаты расчетов коэффициентов
температуропроводности по наблюдениям на метеоплощадках “вырубка”, “у
стены леса” и “под пологом леса” (табл. 4).
Таблица 4.
Коэффициенты температуропроводности различных горизонтов почвы под
пологом леса, у стены леса и на вырубке, кал/см2 · ч (ЛГС “Аибга”)
Слой 020 см
Периоды
под
пологом
леса
Слой 0-30 см
у стены
на
леса
вырубке
Слой 50100 см
под
пологом
леса
Слой 50-90 см
у стены
на
леса
вырубке
20-30.IV.1968 г.
0,19
0,30
0,34
1,92
2,11
1,01
1-15.V.1968 г.
0,15
0,30
0,10
2,05
2,15
1,48
15-28.VIII.1960 г.
0,25
0,34
0,27
1,13
1,41
–
6-16.IV.1967 г.
0,62
0,76
1,16
11,00
4,97
–
6-13.VI.1967 г.
1,01
0,96
1,01
3,88
3,16
1,44
Наибольшие различия коэффициентов температуропроводности между
вырубкой и не затронутым рубкой лесом наблюдаются в поверхностном 20-30сантиметровом слое: пoд пологом температуропроводность этого слоя в 1,5-2
раза ниже, чем на вырубке. Более плотные глубокие слои имеют значительно
меньшие различия в температуропроводности. Разница здесь обусловлена в
основном особенностями режима влажности почвы под пологом леса и нa
вырубках.
Объемная теплоемкость почвы под пологом леса на стационаре “Аибга”
была рассчитана по данным средней плотности и влажности отдельных
горизонтов. В результате получена зависимость объемной теплоемкости от
влажности, имеющая прямолинейный вид.
Исходя из соотношения между коэффициентами температуропроводности
(К) и теплопроводности (l), а также объемной теплоемкостью (С): K = l ,
C
(6) для каждого из 3-х горизонтов почвы получены кривые зависимости
коэффициентов теплопроводности от влажности почвы.
Совмещенный
график
зависимости
термических
характеристик
от
влажности приведен на рис.2. Поскольку объемная теплоемкость имеет
линейную связь с влажностъю, вид кривых теплопроводности определяется
кривыми
температуропроводности.
Таким
образом,
в
отношении
теплофизических свойств бурые лесные почвы под буковыми лесами имеют
свои
особенности.
Они
обладают
сравнительно
большой
объемной
теплоемкостью, мало различающейся по глубине профиля, но возрастающей с
увеличением влажности: при увеличении влажности в 2 раза теплоемкость
становится больше почти на 1/3 первоначальной величины. Теплопроводность
этих почв очень мала в поверхностном горизонте и очень резко увеличивается с
глубиной. Верхний 20-сантиметровый слой, имеющий большую пористость и
содержащий много органических веществ, играет роль теплоизолятора. Такую
же функцию выполняет и мощный слой лесной подстилки, состоящий из
листьев, веток и плюски бука.
На основании полученных данных о теплофизических свойствах бурых
лесных почв и результатов наблюдений за температурой почвы рассчитан
тепловой поток в почву под пологом леса в течение вегетационных периодов
1966–1969 гг.
Для величины теплового потока в почву за некоторый промежуток времени
t:
¶T ( z,t )
ì
Q (t ) = ò í- C1K
¶z
0 î
t
z =0
ü
ýdt .
þ
( 7)
Г.Х.Цейтиным (1953) было получено следующее выражение (при вычислении
графическим способом):
H
t
CK
Q (t ) = C1 ò [T ( z, t ) - T ( z,0)]dy ( z ) - 1 ò [T ( H ,t ) - T ( h,t )]dt ,
H -h 0
0
(8)
где:
ì z при 0 < z < h
ï
;
y ( z) = í
( z - h) 2
z
при h < z < H
ï
2( H - h )
î
(9)
С1 – объемная теплоемкость.
По формуле 8 графическим способом был произведен расчет месячных
величин теплового потока в почву под пологом леса. Для этого были приняты
значения Н = 100 см и h = 10 см, а средние теплоемкость и теплопроводность
были определены из величин этих характеристик для каждого из 3-х горизонтов
(0-20 см, 20-50 см и 50-100 см), найденных по влажности почвы из
приведенных выше графиков.
Результаты расчетов теплового потока в почву приводятся в табл. 28.
Полученные
величины
теплопотока
имеют
как
положительный
знак
(нагревание почвы весной и летом), так и отрицательный (охлаждение осенью и
зимой). Поскольку наблюдения за температурой почвы не охватывают всю
глубину, до которой распространяются годовые температурные колебания, а
сосредоточены лишь в метровом слое, сумма положительного теплопотока за
год не равна отрицательному теплопотоку. Наиболее интенсивное нагревание
метрового слоя почвы отмечается ранней весной (апрель), и положительный
теплопоток в почву в это время достигает максимальных значений. Это
обусловлено наибольшей проницаемостью полога в апреле (по сравнению с
остальной частью вегетационного периода) при значительной суммарной
солнечной радиации и максимальной теплопроводности. В дальнейшем
теплопоток в почву уменьшается, и с сентября начинается охлаждение почвы.
Таблица 5
Тепловой поток в почву под пологом леса на стационаре “Аибга”, кал/см2
Год
Месяц
1966
1967
1968
I
–
-248
–
II
–
-160
III
-17
74
–
16
IV
218
134
160
175
V
66
165
146
59
VI
56
186
132
95
VII
97
73
27
67
VIII
-4
77
100
73
IX
-81
-85
-132
-167
X
-43
-6
-82
-164
XI
-79
–
-5
-6
XII
-248
–
-203
-94
309
544
351
138
Сумма за вегетационный
период (IV–X)
Следует
отметить,
что
конкретные
погодные
1969
-81
16
условия
каждого
вегетационного периода обусловливают свои особенности поступления тепла в
почву. Наибольшее влияние при этом оказывают осадки. Так, сумма
теплопотока за вегетационный период 1966 г. составила 309 кал/см2 при осадках
за этот период 1232 мм; в 1967 г. – 544 кал/см2 при осадках 995 мм; в 1968 г. –
351 кал/см2 при осадках 1111 мм. По-видимому, вместе с внутрипочвенным
стоком из метрового слоя уходит значительное количество тепла.
Если сравнить коротковолновый баланс солнечной радиации под пологом
леса с количеством тепла, уходящим в почву, то оказывается, что теплопоток в
почву очень невелик, в отдельные месяцы он колебался: в 1966 г. – от 9,0 до
13,4%, в 1967 г. – от 9,9 до 28,0, в 1968 г. – от 3,4 до 19,5, в 1969 г. – от 9,1 до
12,8%. Сумма положительного теплопотока за вегетацию в эти 4 года составила
10,4-11,9%
суммы
коротковолнового
баланса
в
лесу
за
месяцы
с
положительным теплопотоком. Наибольшее охлаждение наблюдалось в
декабре–январе при наличии устойчивого снежного покрова. Расходование
тепла из почвы в таких случаях довольно устойчиво и достигает 203-248
кал/см2 за месяц.
По результатам определения радиационного баланса, теплообмена в почве
и испарения с почвы представляется возможным, используя уравнение 7, можно
определить тепловой баланс почвы под пологом леса за теплый период (табл.
6).
Таблица 6
Тепловой баланс почвы под пологом буковых насаждений (ЛГС “Аибга”)
Суммы за месяц, кал/см2
Элементы
теплового
баланса*
IV
V
VI
VII
VIII
За вегета-
IX
ционный
X
период
1966 год
Bп
1620
660
620
790
620
590
1240
5600
LEп
1190
980
590
980
720
460
670
5590
Cп
218
66
56
97
-4
-81
-43
309
Pп
212
-386
-26
-287
-104
211
613
-319
1967 год
Bп
1690
590
730
740
630
550
1070
5440
LEп
1140
1420
650
570
920
620
670
5640
Cп
134
165
186
73
77
-85
-6
544
Pп
416
-995
-106
97
-367
15
406
-744
1968 год
Bп
1870
750
760
790
590
450
890
6100
LEп
490
320
630
1010
710
710
920
4800
Cп
160
146
132
27
100
-132
-82
351
Pп
1220
284
-2
-247
-220
-128
52
949
1969 год
Bп
1790
650
740
700
610
530
950
4780
LEп
1520
2020
890
330
600
940
680
4730
Cп
175
59
95
67
73
-167
-164
138
96 -1429 -245
303
-63
-243
434
-88
Pп
* Bп – радиационный баланс почвы; LEп – затраты тепла на испарение с
почвы; Cп – тепловой поток в почву; Pп – турбулентный теплообмен.
Затраты тепла на испарение рассчитаны по величинам, измеренным
почвенными испарителями ГГИ-500-50. Турбулентный теплообмен определен
как остаточный член теплового баланса.
Как следует из табл. 6, тепловой баланс поверхности почвы в девственном
буковом насаждении характеризуется очень малыми значениями как приходной,
так и расходной частей. Приход, т.е. радиационный баланс, в начале и конце
вегетационного периода, когда проницаемость полога достаточно велика,
распределяется по статьям расхода следующим образом: на испарение уходит
54-85%, на нагревание почвы – 10-13, на турбулентный теплообмен с
приземным слоем воздуха – 5-49%. При облиственном пологе радиационный
баланс расходуется, в основном, на испарение с почвы и подстилки и даже
дополнительно поглощается из теплового баланса крон 0,2-1,0 ккал/см2 за счет
турбулентного теплообмена в подкроновом пространстве.
С учетом полученных данных, в табл. 7 приводится тепловой баланс полога
букового насаждения, не затронутого рубками. Здесь радиационный баланс
полога (Вк) определен как разность радиационного баланса над пологом и
баланса поверхности почвы. Расчет транспирации и перехвата выполнен по
наблюдениям. Сумма турбулентного теплообмена и аккумуляции тепла в
биомассе (Рд+Сд) приведена с учетом отрицательного теплообмена у почвы (Рп).
Таблица 7.
Тепловой баланс полога букового древостоя (ЛГС “Аибга”)
Элементы
теплового
баланса*
Суммы за месяц, кал/см2
IV
V
VI
VII
VIII
За
IX
X
вегетационный
период
1966 год
Bк
4,97
11,20 10,49 14,28
11,40 8,93
5,34
64,77
LEm
1,62
3,96
3,46
4,97
4,01 3,35
2,83
24,21
LHк
1,60
1,37
1,81
0,66
1,65 0,96
0,17
8,10
Pд+Сд
1,75
5,48
5,19
8,36
5,64 4,62
2,34
32,14
11,76 8,40
4,77
63,69
1967 год
Bк
4,94
9,60 12,73 13,05
LEm
1,98
4,24
3,71
3,95
3,57 3,10
1,65
22,20
LHк
0,92
1,24
1,09
1,26
1,09 0,98
0,70
7,23
Pд+Сд
2,04
3,12
7,82
7,84
6,73 4,32
2,42
33,52
10,92 6,69
4,06
66,18
1968 год
Bк
5,42
12,31 12,89 13,89
LEm
1,24
5,80
4,55
5,32
4,19 4,48
1,24
26,82
LHк
0,82
0,50
1,28
0,43
1,26 1,09
1,87
7,47
Pд+Сд
3,36
6,01
7,06
7,89
5,25 1,00
0,95
31,89
11,82 7,53
3,69
60,62
1969 год
Bк
5,54
10,73 12,70 12,28
LEm
0,50
3,40
4,61
3,58
4,01 2,02
1,65
19,67
LHк
0,71
1,12
0,97
1,00
1,09 0,65
1,25
6,33
Pд+Сд
4,33
4,78
6,88
7,70
6,66 4,62
0,89
34,53
* Bк – радиационный баланс полога; LEm – расход тепла на транспирацию;
LHк – расход тепла на испарение перехвата осадков; Pд – турбулентный
теплообмен; Сд – аккумуляция тепла в биомассе.
Анализ табл. 7 позволяет оценить состояние элементов теплового баланса
полога в вегетационный период. Так, на транспирацию приходится ежемесячно
29,1-47,1% радиационного баланса крон, на теплообмен с воздухом и в
биомассе – 15,0-78,2%. Как видим, соотношение расходных составляющих
баланса весьма значительно варьирует, причем более устойчив расход тепла на
транспирацию. За отдельные вегетационные периоды транспирация составила
32,5-40,5%, теплообмен – 48,2-56,9, испарение перехвата осадков – 10,5-12,5%.
B среднем зa 4 вегетационных периода из радиационного баланса полога,
равного 58,81 ккал/см2, на транспирацию уходит 36,3%, на испарение перехвата
– 11.4, на турбулентный теплообмен и нагревание биомассы – 51,8%. Кроме
того, из теплового баланса крон нa испарение с почвы расходуется около 0,5%.
Тепловой баланс поверхности почвы в лесу в среднем в 10,7 раз меньше
баланса полога древостоя, и уходит он почти целиком на испарение с почвы.
Благодаря такому соотношению приходных частей баланса, испарение пологом
также значительно (в 4,5 раза) превышает испарение с почвы.
Отмеченные особенности радиационного и теплового балансов букового
древостоя являются причиной своеобразного режима элементов микроклимата
воздуха и почвы под пологом букняков и обусловливают их водный режим и
почвообразовательный процесс.
Литература:
1. Коваль И.П., Битюков Н.А. Экологические основы пользования лесом
на горных водосборах. - Краснодар, 2001. – 408 с.
2. Битюков Н.А. Экология горных лесов Причерноморья. Сочи: ФГУ
НИИгорлесэкол, 2007. – 397 с.