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
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%).
торфяная почва, теплоемкость, теплопроводность, температура, заморозок, минеральный грунт
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%).
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: 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) doi:10.1088/1755-1315/194/4/042016