Определение профильного распределения температуры почвы на основании температуры ее поверхности

DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10707
УДК: 631.436

Е. В. ШЕИН 1,2, доктор биологических наук, профессор (e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.)
А. Г. БОЛОТОВ3, доктор биологических наук, профессор (e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.)
М. А. МАЗИРОВ3, доктор биологических наук, зав. кафедрой
А. И. МАРТЫНОВ3, аспирант
1Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Ленинские горы, 1, Москва, 119991, Российская Федерация
2Почвенный институт имени В. В. Докучаева, Пыжевский пер. 7, стр. 2, Москва, 119017, Российская Федерация
3Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация

 

В растениеводстве часто возникает задача срочного определения и прогноза наступления определенной температуры на конкретной глубине почвы (например, на глубине посева сельскохозяйственных культур). Основой предлагаемого метода служит уравнение распределения температуры в профиле почвы в совокупности с зависимостью температуропроводности почвы от её влажности (функция температуропроводности). Анализ изменения показателей коэффициента температуропроводности для различных горизонтов агродерновой почвы в зависимости от влажности, полученных лабораторным (по Кондратьеву) и полевым методом температурной волны (по суточной динамике температуры), свидетельствует, что связь между ними не линейна и имеет максимум в области влажности, близкой к влажности наименьшей влагоемкости. На основе полученной функции температуропроводности проведен расчет температуры почвы по профилю с двумя вариантами верхнего граничного условия. В первом варианте значения температуры поверхности почвы принимали равными начальному условию, что полностью исключает необходимость экспериментального обеспечения на верхней границе. Во втором варианте верхнего граничного условия погрешность расчета температуры почвы по профилю имела меньшие значения в более широком временном диапазоне, но при этом необходим их инструментальный контроль, например, с использованием данных дистанционного зондирования. Минимальная погрешность расчета температуры почвы по профилю при втором варианте верхнего граничного условия не превышала 5 %, а при первом варианте она составила 10 %. Предложенный метод может быть использован в ландшафтном и точном земледелии для определения и прогноза температуры почвы на конкретной требуемой глубине по дистанционной оценке температуре поверхности почвенного покрова и экспериментально определенным температуропроводности и влажности почвы.
Ключевые слова: температура почвы, температуропроводность почвы, перенос тепла, тепловой режим.
Для цитирования: Определение профильного распределения температуры почвы на основании температуры ее поверхности / Е. В. Шеин, А. Г. Болотов, М. А. Мазиров и др. // Земледелие. 2018. № 7. С. 26–29. DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10707.

 

 

Determination of the Profile Distribution of Soil Temperature Based on the Temperature of the Soil Surface

E. V. Shein1,2, A. G. Bolotov3, M. A. Mazirov3, A. I. Martynov3
1Lomonosov Moscow State University, Leninskie gory, 1, Moskva, 119991, Russian Federation
2V. V. Dokuchaev Soil Science Institute, Pyzhevskii per., 7, str. 2, Moskva, 119017, Russian Federation
3Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy, ul. Timiryazevskaya, 49, Moskva, 127550, Russian Federation

Abstract. In crop production, the problem of the urgent determination and prediction of the onset of the certain temperature at the specific soil depth (for example, at the depth of sowing) is encountered very often. A proposed method is based on the equation of temperature distribution in the soil profile in combination with the dependence of the thermal diffusivity of the soil on its moisture content (a thermal diffusivity function). The values of the thermal diffusivity coefficient were obtained by the laboratory method (Kondratiev’s method) and the field method of temperature wave (according to the daily temperature dynamics) for different horizons of agro-sod soil. The analysis of its changes indicates that this dependence is non-linear and has a maximum in the region of humidity close to the field moisture capacity. On the basis of the obtained thermal diffusivity function, the temperature of the soil along the profile was calculated with two variants of the upper boundary condition. In the first variant, the values of the soil surface temperature were taken equal to the initial condition, which completely eliminated the need for the experimental support at the upper boundary. In the second variant of the upper boundary condition, the error in calculating the temperature of the soil along the profile had smaller values in a wider time range, but their instrumental control was necessary (for example, with the use of remote sensing data). In this case, the minimum error in the calculation of soil temperature along the profile in the second variant of the upper boundary condition did not exceed 5%, and in the first variant it was 10%. The proposed method can be used in landscape and precision farming to determine and predict soil temperature at a specific required depth by remotely assessing the temperature of the soil surface and experimentally determined soil thermal diffusivity and moisture.
Keywords: soil temperature; thermal diffusivity of soil; heat transfer; thermal regime.
Author Details: Shein E. V., D. Sc. (Biol.), prof. (e-mail: evgeny.shein@gmail. com); A. G. Bolotov, D. Sc. (Biol.), prof. (email: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.); M. A. Mazirov, D. Sc. (Biol.), head of department; A. I. Martynov, post graduate student.
For citation: Shein E. V., Bolotov A. G., Mazirov M. A., Martynov A. I. Determination of the Profile Distribution of Soil Temperature Based on the Temperature of the Soil Surface. Zemledelije. 2018. No. 7. Pp. 26–29 (in Russ.). DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10707.