Właściwości cieplne i stosunki termiczne gleby. Ich wpływ na wzrost i rozwój roślin.

Stosunki termiczne gleby kształtują się w wyniku procesów wymiany energii i masy

zachodzących na powierzchni gleby oraz przenoszenia i zmiany zawartości ciepła w profilu

glebowym. Istotne znaczenie mają przy tym fizyczne, zwłaszcza cieplne właściwości gleby.

Właściwości te wykazują dużą zmienność w przestrzeni i czasie, związaną ze zróżnicowaniem materiału glebowego (różnorodnością gleb), a także zmianami stanu fizycznego danej gleby pod wpływem warunków atmosferycznych i działalności człowieka (np. zabiegów uprawowych).

Cieplne właściwości gleby:

Gleba nie jest substancją jednorodną, lecz układem złożonym z wielu składników. Każdy ze

składników gleby potraktowany oddzielnie ma właściwą dla siebie zdolność do ogrzewania się i przewodzenia ciepła, charakteryzowaną odpowiednio przez ciepło właściwe i przewodnictwo cieplne.

Ciepło właściwe danej substancji- ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostki masy tej

substancji o 1 K.

Objętościowa pojemność cieplna gleby- zdolność do ogrzewania się gleby w stanie

naturalnym. Definiowana jako ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostkowej objętości (1m3) gleby o nienaruszonej strukturze o 1 K.

Wartości objętościowej pojemności cieplnej są chwilowe, jako że odnoszą się do

występującej w danej chwili proporcji poszczególnych składników gleby.

Wartości ciepła właściwego i gęstość składników gleby są znacznie zróżnicowane. Z tego

względu na objętościową pojemność cieplną gleby szczególnie duży wpływ wywiera zawartość wody w glebie (wilgotność odniesiona do jednostkowej objętości), a wpływ powietrza glebowego jest najmniej istotny.

Współczynnik przewodnictwa cieplnego- zdolność danego ciała (substancji) do

przewodzenia ciepła. Jego wartość jest równa ilości ciepła przepływającego w czasie 1 sekundy między dwoma przeciwległymi bokami sześcianu mającymi wymiar jednostki powierzchni przy występowaniu różnicy temperatury na bokach wynoszącej 1 K.

Natura przewodzenia ciepła w glebie jest inna niż w jednorodnym ośrodku. Ze względu na

zróżnicowanie wartości współczynnika przewodnictwa cieplnego minerałów stanowiących cząstki stałe, na wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego danej gleby będzie wpływał jej skład mineralogiczny. Jeszcze większe znaczenie ma ilość i powierzchnia styków pomiędzy stałymi cząstkami gleby, to jest wielkość kontaktu cieplnego między nimi. Zależy to od rozmiaru i kształtu cząstek, zagęszczenia i struktury gleby, a przede wszystkim od obecności wody tworzącej błonki i mostki ułatwiające przepływ ciepła między cząstkami stałymi gleby. Gdy gleba jest sucha, a ciepło przewodzone wyłącznie poprzez cząstki stałe i niewielkie styki pomiędzy nimi, jej przewodnictwo cieplne jest mniejsze niż samych cząstek. Obecność wody, której współczynnik przewodnictwa cieplnego ma wartość około 20 razy większą niż powietrza, powoduje wzrost przewodnictwa cieplnego gleby, aż do największego przy pełnym nasyceniu gleby wodą. Zwiększenie przewodnictwa cieplnego poszczególnych składników gleby, jak i gleby w stanie naturalnym, występuje również w miarę wzrostu temperatury, a także przy większej zawartości pary wodnej w powietrzu glebowym. Do kompleksu właściwości cieplnych należą jeszcze współczynnik przewodnictwa temperaturowego gleby i przyswajalności cieplnej.

Współczynnik przewodnictwa temperaturowego gleby- prędkość wyrównywania się

temperatury w glebie. Znany także pod nazwą dyfuzyjności cieplnej gleby.

Współczynnik przyswajalności cieplnej gleby- zdolność danej gleby do akumulowania

ciepła. Jego wartość zależy od przewodnictwa cieplnego i pojemności cieplnej gleby.

Wartości wszystkich właściwości cieplnych zmieniają się wraz ze zmianą zawartości

poszczególnych składników w jednostce objętości gleby o nie naruszonej strukturze, ale tylko w obrębie pewnego, właściwego dla danej gleby przedziału. Czynnikiem ograniczającym zakres zmian tych wartości są skrajne stany jej zagęszczenia (najmniejsza gęstość przy glebie spulchnionej i możliwie największa gęstość przy glebie zagęszczonej). Decydują one o zawartości stałych cząstek w jednostce objętości gleby, jej porowatości, a zatem objętości przestworów wypełnionych przez powietrze (w przypadku gleby absolutnie suchej) lub wodę (w glebie nasyconej).

Przy danej wilgotności, wartości własności cieplnych wzrastają ze wzrostem gęstości gleby,

natomiast przy określonej gęstości gleby zależą głównie od jej wilgotności.

Przenoszenie i akumulacja ciepła w glebie:

Przenoszenie ciepła w glebie odbywa się głównie w kierunku pionowym poprzez:

– przewodzenie;

– promieniowania;

– ruch wody i powietrza w przestrzeniach między cząstkami gleby przy przesączaniu się wody pochodzącej z opadów atmosferycznych;

– ruch wody i powietrza spowodowany różnicami temperatury w profilu pionowym gleby

(konwekcja);

– zmiany stanu skupienia wody w glebie (parowanie, kondensacja, zamarzanie i topnienie).

Największa ilość energii cieplnej przenoszona jest drogą przewodnictwa i przy

przemieszczaniu się wody i powietrza (pary wodnej). Przepływ ciepła w glebie dokonuje się zawsze od poziomu, w którym temperatura jest wyższa , ku warstwom gleby o niższej temperaturze.

Strumień ciepła- ilość ciepła przepływająca przez daną powierzchnię w ciągu jednostki

czasu.

Przepływ ciepła w glebie cechuje naturalna okresowość zmian w ciągu doby. Podczas dnia

strumień ciepła skierowany jest od ogrzanej w wyniku dopływu i transformacji energii

promienistej słońca powierzchni gleby w jej głąb (ma wartości dodatnie). Odwrotny kierunek strumienia występuje w nocy (wartości ujemne), gdy przypowierzchniowa warstwa gleby wychłodzona w wyniku wypromieniowania ciepła do atmosfery ma niższą temperaturę niż głębiej leżące warstwy. Zmiana kierunku strumienia ciepła w warstwie powierzchniowej gleby dokonuje się rano (zazwyczaj po upływie 2-3 godzin od wschodu słońca) i pod wieczór. Ze względu na czas potrzebny do przekazania ciepła i ogrzania lub ochłodzenia się kolejnych warstw gleby, w późnych godzinach rannych oraz wieczorem i na początku nocy ma miejsce nie jedno-, lecz dwukierunkowy przepływ ciepła w obrębie profilu glebowego.

Najwyższe wartości chwilowe (zarówno dodatnie, jak i ujemne) oraz największe

wahania strumienia ciepła obserwuje się tuż przy powierzchni gleby. W miarę oddalania się od niej zakres zmian dobowych gęstości strumienia ciepła szybko się zmniejsza. Rodzaj gleby i jej właściwości fizyczne (głównie aktualna wilgotność i gęstość) w istotny sposób wpływają na przebieg w czasie i rozkład wraz z głębokością strumienia ciepła. W glebie wilgotnej i zagęszczonej wartości gęstości strumienia ciepła zmieniają się mniej dynamicznie i mają mniejszy zakres wahań w okresie doby niż w glebie suchej i luźnej.

Gęstość strumienia ciepła przy powierzchni gleby w danym momencie lub przedziale czasu

stanowi jeden ze składników bilansu cieplnego rozpatrywanego dla tej powierzchni, przy czym określana jest ogólnie jako wymiana ciepła atmosfery z podłożem.

Ilość ciepła jaka w okresie dziennym i dobowym przeniknęła do gleby i w niej pozostała,

stanowi o wielkości dziennej i dobowej akumulacji ciepła w glebie.

Bilans cieplny powierzchni czynnej:

Głównym źródłem ciepła dostarczonego do gleby jest energia promienista Słońca

transformowana na powierzchni czynnej. Powierzchnię czynną w przypadku nie porośniętego

roślinnością pola stanowi powierzchnia gleby. W miarę wzrostu i rozwoju roślin powierzchnia czynna zmienia się, stanowi ją wówczas nie tyle gleba, ale i nadziemne części roślin. Ilość energii dostarczonej do powierzchni czynnej przez krótkofalowe promieniowanie słoneczne, a także długofalowe atmosfery, określa tzw. bilans promieniowania.

Zasadniczymi składnikami bilansu promieniowania są: krótkofalowe promieniowanie słoneczne, promieniowanie słoneczne odbite od powierzchni czynnej, długofalowe promieniowanie atmosfery oraz długofalowe promieniowanie powierzchni czynnej.

Albedo- stosunek promieniowania słonecznego odbitego od powierzchni czynnej do

promieniowania dochodzącego do niej.

Promieniowanie efektywne- różnica między promieniowaniem powierzchni czynnej a

dochodzącym do niej promieniowaniem atmosfery i określające wartość bilansu promieniowania w zakresie długofalowym.

Ilość promieniowania słonecznego, jaka ostatecznie dochodzi do powierzchni czynnej i jest

na niej transformowana, zależy od:

– kąta padania promieni słonecznych;

– usłonecznienia, czyli długości czasu operacji słońca, zależnego od pory roku oraz

zachmurzenia;

– albedo, zależnego od właściwości powierzchni czynnej ( barwa, wilgotność, szorstkość)

oraz kąta padania promieni słonecznych;

– obecności i rodzaju pokrywy roślinnej.

Temperatura gleby:

Wypadkowym efektem zmian w dopływie do powierzchni czynnej energii promienistej,

przebiegu procesów wymiany energii i masy zachodzącymi na tej powierzchni oraz przepływu i akumulacji ciepła w profilu glebowym, są zmiany w czasie i z głębokością temperatury gleby. Zmiany temperatury cechuje naturalna okresowość obserwowana w cyklu dobowym i rocznym.

Z reguły najwyższe wartości, jak również największe wahania temperatury gleby w ciągu

doby notowane są przy jej powierzchni. W miarę posuwania się w głąb profilu glebowego

amplituda wahań dobowych staje się coraz mniejsza, a na pewnej głębokości wahania te zupełnie zanikają. Ogromne znaczenie w kształtowaniu warunków termicznych gleby ma szata roślinna. Jej obecność wpływa na ograniczenie zarówno zróżnicowania pionowego temperatury w glebie, jak i wielkości zmian w czasie.

Rola właściwości cieplnych gleby w kształtowaniu jej stosunków termicznych w warunkach

klimatu umiarkowanego jest najbardziej znacząca i ważna w okresie wiosennym, kiedy szybkość nagrzewania się gleb ma wpływ na rozpoczęcie i przebieg wegetacji roślin.

Gleby porowate, suchsze o małej pojemności cieplnej (np. gleby piaszczyste) nagrzewają się

szybciej niż gleby zwięzłe, wilgotne, o dużym przewodnictwie cieplnym (gliny, iły). Dlatego też te pierwsze nazywa się glebami ciepłymi, a drugie glebami zimnymi. Na glebach ciężkich i wilgotnych wschody i rozwój roślin są opóźnione, ale też mniejsze jest niebezpieczeństwo

wystąpienia wiosennych przygruntowych przymrozków.

Najmniej korzystne warunki termiczne dla roślin występują w stokach o wystawie

północnej, gdzie stosunkowo najmniejszy jest zarówno kąt padania promieni słonecznych, jak i długość czasu ich operacji. Odwrotna sytuacja występuje na zboczach południowych i południowowschodnich- obserwuje się znacznie wyższe wartości temperatury gleby i większe ich amplitudy dobowe.