Теплова́я мелиора́ция, целенаправленное улучшение теплового режима почвы и микроклимата поля путём воздействия на факторы формирования теплового баланса и почвенного плодородия с целью повышения продукционного потенциала почв.

Тепловой баланс поля описывается уравнением:

R = LE + P + B,

где:

R – радиационный баланс;

LE – тепло, затрачиваемое на суммарное испарение;

L – скрытая теплота парообразования;

Е – испарение;

Р – поток тепла в воздух от деятельной поверхности в результате турбулентного теплообмена;

В – поток тепла в почву.

Радиационный баланс зависит от поступающей от солнца и рассеянной радиации, излучения подстилающей поверхности и атмосферы. Отношение отражённой радиации к суммарной характеризуется величиной альбедо, регулирование значений которого лежит в основе тепловой мелиорации.

Тепловая мелиорация изменяет температуру и влажность приземного слоя воздуха и деятельного слоя почвы с целью создания благоприятных условий роста и развития сельскохозяйственных культур. Для них имеются индивидуальные допустимые интервалы температур, обеспечивающие благоприятный тепловой режим для роста и развития. Оптимальные значения температуры для большинства культур находятся в интервале 20–30 °С для центральных регионов России и 25–35 °С – южных.

В задачу тепловой мелиорации входит регулирование компонентов теплового баланса (потока тепла в почву и турбулентного теплообмена деятельной поверхности почвы и приземного слоя воздуха). Эти показатели зависят от отражающей способности почвы, растительного покрова, водной, снежной и ледяной поверхности соответственно в летний и зимний периоды. Тепловой мелиорацией обеспечивается увеличение затрат тепла на нагревание почвы и поверхности почвы (в северных районах), в южных – требуется уменьшение затрат тепла на нагревание почвы, воздуха и растительности.

Тепловые мелиорации реализуются с применением 4 групп мероприятий, направленных на:

• снижение теплоёмкости поверхностных горизонтов почвы;

• аккумуляцию снега для снижения теплоотдачи почв;

• снижение температуры светлоокрашенных почв и растительного покрова путём нанесения на почву тёмноцветных минералов, осушения или орошения;

• использование отходов тепла индустриального сектора экономики и энергии природных источников тепла.

Методы тепловой мелиорации

Уменьшение теплоёмкости почвы

Уменьшение теплоёмкости почвы обеспечивается путём внесения в пахотный горизонт тяжёлых минеральных почв мелкого каменистого материала (щебня, гальки, гравия, шлака и др.), обладающего меньшим по сравнению с почвой значением теплоёмкости, который в дневной период медленно нагревается, а в ночное время медленно остывает и тем самым прогревает мелкозёмистый материал почвы. Положительный результат получен от внесения в холодные и суглинистые, глинистые и торфяные почвы северных районов страны песчано-гравийного и гравийного материала в объёме 200–600 м³/га. Землевание торфяных почв песком или глиной обеспечивает повышение температуры пахотного слоя на 1,5–3,0 °С. Осушение торфяных почв повышает температуру пахотного слоя на 4–5 °С.

Улучшение теплового режима почвы в зоне недостаточных температур обеспечивается также такими агротехническими мероприятиями, как глубокое рыхление, грядование и гребневание почв, что способствует лучшему прогреванию в дневное время. При правильной ориентации гребней поступление прямой радиации за сезон по сравнению с горизонтальной поверхностью можно увеличить до 50 %.

Снегозадержание

Широко применяемым способом тепловой мелиорации является снежная мелиорация (снегозадержание, снегонакопление и снегоуплотнение). Снегозадержание на полях совхоза.Снегозадержание на полях совхоза.Снег оказывает демпфирующее действие на динамику температуры почвы, предохраняет почву и зимующие растения от неблагоприятного действия сильных морозов, пополняет запасы почвенной влаги, служит необходимым условием обеспечения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур. Снегозадержание направлено на сохранение и удержание снега от сдувания ветром, а снегонакопление – на увеличение высоты снежного покрова за счёт снега, сносимого ветрами и метелями с окружающих полей пространств.

Регулирование снежного покрова воздействует на изменение климата верхних слоёв почвы, его температурный и водный режимы. Наблюдения показали, что температурный режим почвы на глубине 3 см под снежным покровом по сравнению с температурой на оголённом участке характеризуется значительно меньшими абсолютными минимумами отрицательных температур, большей равномерностью их хода в течение зимы, меньшей связью между ходом температуры воздуха и почвы.

В ходе проведения снегозадержания используются полезащитные лесные полосы, агротехнические приёмы, снегопахание, снегоуплотнение и расстановка специальных снегозадерживающих препятствий, создаются кулисы из высокостебельных растений, сохраняются пожнивные остатки.

Полезащитные лесные полосы оказывают комплексное положительное влияние на водный и температурный режимы агроценозов. На неорошаемых землях их создают в основном из 3–4 рядов деревьев, на орошаемых – из 2–3 рядов. Продольные лесополосы располагают перпендикулярно направлению наиболее опасных ветров (на эрозионно-опасных участках поперёк склонов). Расстояние между продольными полосами на неорошаемых землях составляет 200–600 м, поперечными – 1000–2000 м в зависимости от типов почв и высоты древесных пород. При планировании размещения полос на орошаемых землях необходимо учитывать применяемые способы орошения и технику полива.

Лесополосы снижают скорость ветра, способствуют равномерному распределению снега, улучшают водный режим и микроклимат, спасают посевы сельскохозяйственных культур от вымерзания, атмосферной засухи и суховеев. Исследования показали, что на орошаемом поле наблюдается на 25–50 % снижение скорости ветра, на 20–40 % снижение испаряемости, на 0,5–1,5 °С снижается температура воздуха и на – 0,5–2,5 °С уменьшается температура почвы. Отмечается положительное влияние лесополос на другие почвенно-мелиоративные показатели.

Кулисные полосы располагают поперёк господствующих ветров. Накопившийся между кулис снег защищает почву от глубокого промерзания, сглаживает температуру почвы на глубине узла кущения, защищает озимые культуры от весенних заморозков и также положительно влияет на защиту основных культур от неблагоприятных погодных условий в летний период. В качестве кулисных растений используют кукурузу, подсолнечник, сорго и сорго-суданские гибриды.

Мероприятия по снегозадержанию обеспечивают создание более благоприятного температурного режима почвы (повышение температуры в пределах 3–10 °С). Наряду с водно-термическим эффектом снежная мелиорация влияет на глубину промерзания почвы. Разность глубин промерзания почвы между участками без снега и со снежной мелиорацией может достигать 75–100 см и более в зависимости от высоты снежного покрова. Снегозадержание широко применяется в лесостепных и степных районах и проводится с использованием дорожных машин и специальных снегопахов.

Мульчирование

Для регулирования теплового режима светлоокрашенных почв и полей, покрытых снегом, снижения отражающей способности деятельной поверхности применяются различные способы затемнения поверхности путём нанесения тёмноокрашенных материалов (угольная пыль, тёмный шлак, торф, навоз, компост и др.) и мульчирование.

В значительной степени на изменение температурного режима оказывают влияние орошение и осушение. Орошение в лесостепной зоне обеспечивает снижение турбулентного обмена, что ведёт к понижению температуры воздуха на 1,5–2,0 °С, а в пустынях умеренного пояса температура воздуха при орошении понижается на 4–5 °С.

Понизить температуру растительного покрова в периоды с высокими температурами воздуха можно с помощью аэрозольного (мелкодисперсного) орошения. При испарении мелких капель с поверхности листьев отбирается тепло непосредственно от растения, что обеспечивает понижение температуры растительного покрова и повышения влажности растений. Осушение торфяных почв повышает температуру пахотного слоя на 4–5 °С.

Наиболее применяемым способом этого вида мелиорации является мульчирование почвы, обеспечивающее покрытие поверхности почвы мульчирующим материалом, в качестве которого используются торфяная крошка, компост, перепревший навоз, древесные опилки, измельчённая солома, опавшая листва, хвоя, синтетические плёночные, укрывные и другие материалы. Это простейший способ тепловой мелиорации. Под мульчирующим покрытием формируется микроклимат, который защищает корневую систему растений от перегрева и замерзания. Мульча смягчает ход температуры в приповерхностном слое почвы, растения не подвержены резким перепадам температур.

Использование тепловых отходов

Перспективным способом тепловой мелиорации является использование тепловых отходов энергетической отрасли, промышленных предприятий, коммунального хозяйства, а также утилизация энергии природных источников тепла. Разновидность промышленных сточных вод – отработанные воды тепловых и атомных электростанций. Крупные ТЭЦ, ГРЭС и АЭС являются источниками термического (теплового) загрязнения водоёмов отработанными сбросными водами, которые могут служить источниками отеплительного орошения и обогревания почв. При использовании тёплых вод для орошения уменьшаются затраты воды на единицу урожая и повышается урожай теплолюбивых культур на 14–20 %, увеличивается мощность корневой системы в 1,5–2 раза, повышается скороспелость культур на 6–10 дней. При использовании тёплых сточных вод применяется поверхностное и внутрипочвенное орошение, а также дождевание.

На орошаемых землях возделываются преимущественно теплолюбивые сельскохозяйственные культуры: огурцы, перец, капуста, хлопчатник, рис, виноград и др. В условиях поверхностного полива целесообразно применять полив по бороздам. При орошении дождеванием используются различные дождевальные машины в зависимости от типов почв и конфигурации полей. Особенно эффективно дождевание тёплыми водами при слабых (до –2 °С) заморозках. Наибольший эффект орошения теплообменными водами достигают при внутрипочвенном орошении, когда одновременно осуществляется обогрев почвы и полив. За счёт активного регулирования среды обитания сельскохозяйственных растений существенно улучшаются температурные условия для сельскохозяйственных культур, увеличивается продолжительность вегетации, повышается продуктивность мелиорируемых земель. Весьма перспективным является использование отработанных тёплых вод в тепличном хозяйстве.