ИСТИНА

Тепловые свойства почв, а именно их теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность определяют закономерности переноса и накопления тепла в почвах. Относительная роль минеральной матрицы и органического вещества в формировании тепловых свойств почв меняется в зависимости от содержания почвенной влаги. Для того чтобы выявить эту роль на количественном уровне, используется авторский вариант параметризации экспериментальных зависимостей температуропроводности почвы от влажности. Предложенные параметры имеют ясный физический смысл, что позволяет раздельно анализировать разные механизмы перераспределения тепла в почве и их связь с основными свойствами почвы. Рабочая гипотеза заключается в следующем. Кондуктивная составляющая переноса тепловой энергии в почве определяется в первую очередь тепловыми свойствами отдельных почвенных компонент, в том числе минеральной матрицы и органического вещества почвы. Конвективный перенос тепловой энергии связан главным образом со структурой порового пространства и свойствами поверхности твердой фазы. В проекте используется метод стационарного режима для определения температуропроводности почв, а также новый для физики почв метод дифференциальной сканирующей калориметрии для определения теплоемкости почв. Полученные экспериментальные данные служат основой для построения математических моделей температуропроводности почв.

Soil thermal properties, that is, thermal conductivity, heat capacity and thermal diffusivity, determine the heat transfer and heat accumulation in soils. The relative roles of mineral matrix and organic matter are different depending on soil moisture сontents. To reveal this role at the quantitative level, the author's parametrization of experimental thermal diffusivity vs. water content dependencies is used. The suggested parameters have a clear physical sence, which allows to separately analyse different mechanisms of heat transport in soil as related to basic soil properties. The working hypothesis is as follows. The conductive component of heat transfer in soil is determined primarily by the thermal properties of soil components, including mineral matrix and and soil organic matter. The convective transport of heat is related primarily to the pore network structure and the solid surface properties. Methods used in the project are the unsteady-state method to determine soil thermal diffusivity and the new for soil physics method of differential scanning calorimetry to determine soil heat capacity. The experimental data are used to obtain mathematical models to estimate soil thermal diffusivity.

Получение зависимостей температуропроводности от влажности для черноземов типичных и расширение имеющейся базы данных по температуропроводности почв. Построение математической модели для расчетной оценки температуропроводности почв при любой влажности по данным о плотности почвы, гранулометрическом составе и содержании органического вещества. Апробация метода дифференциальной сканирующей калориметрии в применении к почвам; получение оценок для теплоемкости органического вещества почв.

Накоплены данные по температуропроводности почв различного гранулометрического состава, плотности, содержания органического вещества. Проведен статистический анализ имеющихся данных. Получены педотрансферные функции, позволяющие рассчитывать параметры зависимости температуропроводности от влажности по базовым свойствам почвы. Проведена проверка построенных математических моделей.

Получены зависимости температуропроводности от влажности, определена плотность, плотность твердой фазы, гранулометрический состав и содержание органического углерода для образцов черноземов типичных. Исследованы почвы с участка косимой залежи и второго поля семипольного севооборота заказника «Каменная степь», целинного участка Стрелецкой степи, пахотного участка на опытном поле Петринского стационара. Температуропроводность измеряли во всем диапазоне влажности, от капиллярно-насыщенного до воздушно-сухого состояния; для каждого из тридцати пяти исследованных образцов получено по 12-16 экспериментальных точек. Каждая из полученных экспериментальных зависимостей температуропроводности от влажности была аппроксимирована четырехпараметрической функцией. Проведенная математическая формализация позволила проанализировать изменения в температуропроводности почв Курской области при изменении режима использования, а именно при переходах «целина – пашня – четырехлетняя залежь – пятнадцатилетняя залежь», а также температуропроводность бывших пахотных почв, находящихся ныне под лесом. Распашка увеличивала температуропроводность почвы. Температуропроводность почв 15-летней залежи была ниже, чем на 4-летней залежи, сопоставима с температуропроводностью пашни, но выше температуропроводности целинной почвы. Температуропроводность почв под лесополосой была сопоставима с температуропроводностью целинной почвы. Вновь полученные данные по температуропроводности черноземов были объединены с имеющимися данными по температуропроводности почв различного гранулометрического состава, плотности, содержания органического вещества. Статистический анализ общего массива данных показал, что температуропроводность и воздушно-сухих, и капиллярно-насыщенных почв, а также максимальная температуропроводность положительно коррелируют с плотностью почвы и отрицательно – с содержанием органического углерода в ней. Утяжеление гранулометрического состава приводит к снижению температуропроводности во всем диапазоне влажности, смещению максимума вправо и общему выполаживанию экспериментальных кривых. Построена серия моделей для расчетной оценки температуропроводности почв при различных значениях влажности по данным о гранулометрическом составе, плотности и содержании органического углерода. Модели были построены в двух вариантах. В варианте I используются гранулометрические фракции по Качинскому, принятые в отечественной литературе. В варианте II используются гранулометрические фракции, соответствующие принятому в США и многих других странах текстурному треугольнику. В обоих вариантах использовалось разветвление общего набора данных на текстурные группы, а также иерархический поход, характерный для известной модели гидрологических свойств почв ROSETTA. Проверка построенных моделей проводились на независимых данных. Диапазоны почвенных свойств в пределах настроечного и проверочного наборов были близки. Среднеквадратичная ошибка расчетов температуропроводности при использовании гранулометрических показателей по Качинскому составила 27 %, при использовании текстурного треугольника – 22 %. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии была определена удельная теплоемкость типичных черноземов Курской области в диапазоне от –10 до 40 оС. Обнаружено, что в применении к почвенным образцам воспроизводимость метода составляет от 3 до 5%. Этого достаточно, чтобы измерить теплоемкость почвы, но недостаточно, чтобы точно оценить теплоемкость органического вещества и достоверно уточнить существующие оценки. Теплоемкость органического вещества почвы, рассчитанная по полученным данным, варьирует в пределах от 0.25 до 0.45 кал/гоС, т. е. практически укладывается между оценками Е.А. Дмитриева (0.28 кал/гоС) и де Фриза (0.46 кал/гоС). Полученные оценки, скорее всего, несколько завышают теплоемкость органического вещества почвы, но при этом оказываются заведомо меньше общепринятых оценок де Фриза, что подтверждает актуальность продолжения работы в этом направлении.