Роль климата в процессе почвообразования

1.4. Микроклимат

Помимо «общеземного»  климата, определяющего главные  особенности закономерного размещения почв на земной поверхности, в процессах почвообразования большую роль играет местный климат, получивший название «микроклимата». Возникновение того или иного типа «микроклимата» определяется в основном формами рельефа, экспозицией склонов и характером растительного покрова.

В. Р. Волобуев (1983) к области  микроклимата относит приземный слой воздуха на высоте до 2 м от поверхности Земли и его сопряжение с поверхностными слоями почвы с соответствующими климатическими параметрами.

Для оценки  взаимодействия  между приземным  слоем  атмосферы  и почвой берется сопряженность  среднегодовой температуры воздуха на уровне 2 м от поверхности Земли и среднегодовой температуры почвы на глубине 20 см от поверхности Земли. Между этими величинами существует строгая связь, позволяющая установить наиболее общие количественные соотношения, носящие в общем прямолинейный характер как по среднегодовым, так и по сезонным показателям. [4,с.276]

2 Климат почв и его составляющие 

Климат почв может быть рассмотрен как совокупность постоянно совершающихся в ней физических процессов, формирующихся под воздействием природных и антропогенных факторов. Первыми составляющими климата почвы являются тепловой, водный и воздушный режимы, подчиняющиеся макроклиматической ритмичности и особенностям мезо- и микроклимата.

Тепловой режим  почвы

Для почв каждого типа характерна определенная динамика температур в течение вегетационного периода  и на различной глубине. Наибольшие колебания температуры наблюдаются на поверхности почвы. С глубиной ее колебания уменьшаются. Суточные изменения температуры полностью затухают на глубине 40...50 см. Годовая динамика температуры зависит от природной зоны. Так, в черноземах в зимние месяцы на глубине 30...40 см температура опускается ниже 0 °С; в июне—августе она достигает максимального значения, а затем к зиме снова снижается.

На большой глубине  годовое колебание температуры  очень незначительно. Глубина промерзания почвы в зимнее время зависит от мощности снежного покрова. Под снегом почва промерзает на незначительную глубину, а в бесснежные зимы или при сдувании снега ветром почва может промерзать на глубину 0,7...0,9 м и более. Вот почему снегозадержание проводят не только для накопления влаги в почве, но и для сохранения тепла.

В северных и северо-восточных  районах страны, в зоне «вечной» мерзлоты оттаивает лишь верхний  слой почвы. В связи с производственным освоением северных территорий все  больше внимания уделяют сельскохозяйственному использованию этих земель. Здесь целесообразно проводить тепловые мелиорации и агротехнические приемы по улучшению теплового режима почв. При подборе участков земель под сельскохозяйственные угодья необходимо учитывать свойства почв, их гранулометрический состав, рельеф и гидротермические условия местности.

Тепловой баланс почвы  складывается из радиационного баланса (Т_б), состоящего из поступающей солнечной радиации, а также отраженной и излученной радиации; турбулентного потока тепла, связанного с теплообменом между поверхностью почвы и воздухом (Т_к); тепла, затрачиваемого на физическое испарение и транспирацию воды (Т_т); теплообмена между слоями почвы (Т_п). Уравнение теплового баланса почвы предусматривает алгебраическое равенство величин различных потоков:

Т_б + Т_к + Т_т + Т_п=0

Типы теплового (температурного) режима почв. Различают мерзлотный, длительно  сезоннопромерзающий, сезоннопромерзающий, непромерзающий типы теплового режима почв.

Мерзлотный тип распространен  в Евро-Азиатской полярной и Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной областях. В зоне вечной мерзлоты среднегодовая температура профиля почвы отрицательная. Замерзание доходит до многолетнемерзлой породы.

Длительно сезоннопромерзающий тип  характерен для областей с преобладанием  положительной среднегодовой температуры почвенного профиля. Промерзание почвы происходит на глубину не менее 1 м, но до многолетнемерзлых пород почва не промерзает.

Сезоннопромерзающий тип отличается положительной годовой температурой; вечная мерзлота отсутствует, промерзание почвы продолжается не более 5 мес.

Непромерзающий тип выражен  в южных районах, где не наблюдается промерзание почв.[3, с.178]

Водный режим почвы - совокупность процессов поступления, передвижения и расхода влаги  в почве.

Основной источник почвенной влаги — атмосферные осадки, количество и распределение которых во времени зависят от климата данной местности и метеорологических условий отдельных лет. В почву поступает меньше влаги, чем выпадает её в виде осадков, так как значительная часть задерживается растительностью, в особенности кронами деревьев. Вторым источником поступления влаги в почву является конденсация атмосферной влаги на поверхности почвы и в её верхних горизонтах (10—15 мм). Туман может оказывать значительно больший вклад в сумму осадков (до 2 мм/сутки), хотя и является более редким явлением. Практическое же значение тумана проявляется преимущественно в прибрежных районах, где в ночное время над поверхностью почвы собираются значительные массы влажного воздуха.

Часть поступившей на поверхность почвы влаги образует поверхностный сток, который наблюдается весной во время снеготаяния, а также после обильных дождей. Величина поверхностного стока зависит от количества выпавших осадков, угла наклона местности и водопроницаемости почвы. Выделяют также боковой (внутрипочвенный) сток, возникающий из-за различной плотности почвенных горизонтов. При этом вода, поступившая в почву, фильтруется через верхние горизонты, а дойдя до горизонта с более тяжёлым гранулометрическим составом, формирует водоносный горизонт, называемый почвенной верховодкой. Часть влаги из верховодки всё же просачивается в более глубокие слои, достигая грунтовых вод, которые в своей совокупности образуют грунтовый сток. При наличии же уклона местности часть влаги, сосредоточенной в водоносном горизонте, может стекать в пониженные участки рельефа.

Помимо стока, часть  почвенной влаги расходуется  на испарение. Из-за своеобразия и непостоянства свойств почвы как испаряющей поверхности, при одинаковых метеорологических условиях скорость испарения меняется сообразно изменению влажности почвы. Величина испарения может достигать 10—15 мм/сутки. Почвы с близким залеганием грунтовых вод испаряют гораздо больше воды, чем с глубоким.[3, с.158]

Воздушный режим почвы - совокупность всех явлений, определяющих поступление воздуха в почву, передвижение в ней и расход, обмен газами между почвой, воздухом, твердой и жидкой фазами почвы, потребление и выделение отдельных газов живым населением почвы.

Разнообразные формы  почвенного воздуха создают воздушный  режим почвы в соответствии с  рядом свойств почвы. Воздухоемкость почвы — объем почвенных пор, содержащих воздух, при влажности  почвы, соответствующей ее наименьшей влагоемкости; выражается в процентах объема почвы. Воздухопроницаемость почвы — свойство почвы пропускать через себя воздух. Воздухосодержание почвы — объем почвенных пор, содержащих воздух при данной влажности почвы; выражается в процентах общего объема почвы. Воздухообмен, или аэрация, — процесс обмена воздухом между почвой и атмосферой, обусловленный изменениями температуры, влажности почвы, атмосферного давления, перемещениями воды, а также воздействиями ветра и диффузией. Воздушный режим почвы складывается из изменений характера воздухообмена по годам, сезонам, суткам и т. д. Почвенный воздух отличается от атмосферного большей плотностью, низкой теплопроводностью, повышенным содержанием углекислого газа, в связи с чем основную роль в газообмене почвы играет диффузия газов. Углекислота образуется в результате жизнедеятельности микроорганизмов и поступает из атмосферы. Она служит углеродным питанием для растений. Кислород в почвенном воздухе необходим для питания растений и жизнедеятельности микроорганизмов. Энергия, образующаяся в процессе их дыхания, расходуется для биологически синтезов, а углекислый газ, выделяясь из почвы, используется (до 70% от всего потребления) растениями в процессе фотосинтеза. Выделение С02 почвой является характеристикой интенсивности биологически процессов — наиболее существенным показателем плодородия почвы в целом. Суточная потребность корней в кислороде составляет 1,5 кг на 1 кг сухого вещества. .[3, с.174]

Физические процессы фазовых переходов почвенной  влаги (испарение, конденсация, льдообразование) определяются температурой влажностью и давлением, а также их внутрипочвенными градиентами и градиентами в системе приземный слой воздуха-растение-почва, В соразмерности почвенного тепла и влаги находят количественное выражение тепло— и влагообеспеченность почвы - основные    параметры оценки ее климата в его практическом приложении.

Рис.1. Континентальность  климата по Н.Н. Иванову (Шашко, 1967).

Важным показателем  климата почв является степень суровости  зимних почвенных условий, определяющих возможность перезимовки сельскохозяйственных культур и интенсивность процессов педо— криогенеза. Существенной характеристикой климата почв является его континентальность,  определяемая не только годовой амплитудой температур на глубине 0,2 м, но и величиной внутри-почвенных градиентов (рис.1).

Оценка перечисленных  параметров климата почв необходима для уточнения диагностики и  классификации почв, природно-агрономического районирования, районирования сортов сельскохозяйственных культур, разработок планов землепользования в хозяйствах, приемов агротехники и мелиорации.

В качестве основных критериев  оценки приняты: для теплообеспеченности  почв - сумма активных (выше 10°С)  температур почвы на глубине 0,2 м (рис.2.); для влагообеспеченности - запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы в начале и конце вегетационного периода  (выше  5°С среднесуточных температур), а также гидротермический коэффициент почвы и вероятность почвенной засухи. 

Рис.2. Сумма активных температур почвы на глубине 0,2 м. [1,c.9-14]

Рассмотрение почвенно-климатических  условий на территории СССР в зонально-провинциальном и природно—сельскохозяйственном аспектах позволило отметить следующие закономерности в пространственном их изменении.

По всем зонам Нечерноземной  полосы России наблюдается снижение сумм активных температур почв, а следовательно, их теплообеспеченности в направлении с запада на восток и нарастание сумм отрицательных температур, морозоопасности и континентальности почвенного климата в том же направлении.

Теплообеспеченность почв Нечерноземья изменяется от весьма слабой  (400-800°С)   суммы активных температур выше  10°С на глубине 0,2 м в Северо-Восточной провинции лесотундровой северо-таежной    зоны глееподзолистых и мерзлотно-таежных почв до выше средней (2100-2700°С)     в Белорусской и Дальневосточно-Амуро-Уссурийской провинциях южно-таежной зоны дерново-подзолистых  почв.

Соответственно, условия  суровости зимних почвенных условий  меняются от очень холодных крайне морозоопасных  (-2000°С ниже)  сумм отрицательных температур на глубине 0,2  м в Северо-Восточной провинции лесотундровой северо-таежной зоны до умеренно-теплых умеренно морозоопасных - 100-50°С сумм отрицательных температур в Прибалтийской и Белорусской провинциях южно-таежной зоны.

Снижение сумм активных температур почв происходит параллельно уменьшению количества осадков за вегетационный период, что   в совокупности   приводит к снижению расхода почвенной влаги за счет суммарного испарения.  Пространственное изменение запасов продуктивной влаги отражает сопряженность между суммами активных температур почвы, количеством осадков и суммарным испарением, но зависит в равных условиях растительного покрова от физических свойств почв и подстилающих пород, определяющих специфику почвенного климата. Особое значение здесь приобретает наличие вечной мерзлоты.

Влагообеспеченность почв изменяется на территории Нечерноземья от избыточной - при запасах продуктивной влаги в метровом слое почвы более 200 мм, ГТК_П - 1,5 и отсутствии вероятности почвенных засух во всех провинциях лесотундровой северо-таежной и средне-таежной  (подзолистых и мерзлотно-таежных почв)  зон, за исключением почв Центральной Якутской провинции, где влагообеспеченность достаточна  (200-150 мм; ГТК_П -  1,5-1; вероятность почвенных засух менее 25%)   в начале вегетационного периода и недостаточна в конце  (150-100 мм;  ГТК_П - 1_ 0,5; вероятность почвенных засух - 25-50%).

Следует отметить, что  в Белорусской и Центрально-Якутской провинциях расход влаги на испарение  превышает количество осадков, выпадающих в вегетационный период, и к концу его создается дефицит продуктивной влаги в метровом слое почвы по сравнению с его запасом перед началом вегетационного периода.   В почвах Средней Сибири начальный запас равен конечному. Количество осадков соответствует суммарному испарению.

Лимитирующим успешное возделывание сельскохозяйственных культур  фактором территории Нечерноземья,  характеризующейся гумидными условиями почвообразования,  является, за исключением Европейской территории южно-таежной зоны (подзоны)  дерново-подзолистых почв, недостаток тепла не только приземного слоя воздуха,     но   главным образом   тепла почвы,  ее теплообеспеченности и условий перезимовок. Особенно остро этот фактор проявляется на севере и северо-востоке страны,  в области распространения мерзлотных  (криогенных)   почв на многолетнемерзлых породах.

Иные соотношения параметров почвенного климата сформировались в условиях полуаридной, аридной и влажно—субтропической областей СССР. Основным фактором, лимитирующим успешное возделывание сельскохозяйственных культур на территории, расположенной южнее Нечерноземной полосы  (за исключением влажных субтропиков), является влага,  поэтому оценка влагообеспеченности почв здесь является первоочередной.

Вместе с тем было бы неправильным оценивать этот фактор в отрыве от второго, не менее значимого фактора - тепла и теплообеспеченности почв. Теплообеспеченность почв лесостепной, степной   сухостепной, полупустынной и пустынной зон снижается в направлении с запада на восток,  что выражается уменьшением сумм относительных  и активных температур почвы.  В том же направлении наблюдается нарастание сумм отрицательных температур, морозоопасности и континентальности почвенного климата.

Теплообеспеченность почв лесостепной,  степной, сухостепной, полупустынной и пустынной зон  снижается в направлении с  запада на восток,  что выражается уменьшением сумм положительных    и активных температур почвы,  В том же направлении наблюдается нарастание сумм отрицательных температур, морозоопасности и континентальности почвенного климата.  Снижение сумм активных температур почв,  так же   как и в Нечерноземной полосе, происходит параллельно уменьшению количества осадков за вегетационный период,  что в совокупности приводит к снижению расхода почвенной влаги за счет суммарного испарения.  Пространственное изменение запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы отражает сопряженность между суммами активных температур почвы, количеством осадков и суммарным испарением в вегетационный период.