Влияние температуры почвы на химические и физические процессы, происходящие в ней

В первой части книги уже указано было, что температура оказывает весьма сильное влияние на разложение органических веществ в почве п на другие химические процессы, происходящие в ней. Мы видели также, что температура влияет на скорость просачивания воды через почву и на количество поглощаемой из воздуха гигроскопической воды. Здесь мы не будем возвращаться снова к рассмотрению этих предметов, а обратим внимание па другие, которые пока еще не рассмотрены нами, и, во-первых, на образование так называемой подземной росы и на скорость испарения воды из почвы.

Образование подземной росы, которой придается в некоторых сельскохозяйственных сочинениях весьма важное значение, основано на следующих явлениях. Днем, как известно, сильнее всего нагревается верхний слой почвы, вместе с тем и самый сухой. Напротив, ночью слой этот сильно охлаждается, и температура нижележащих слоев тогда выше температуры этого верхнего слоя. Так как эти глубокие слои вместе с тем большей частью влажны, то в них находится воздух, насыщенный водяными парами. Если этот воздух будет подниматься вверх или когда пары воды будут диффундировать в верхние слои почвы, то здесь будет, несомненно, осаждаться часть воды вследствие более низкой температуры этих слоев. Очевидно, что таким образом вода может передаваться даже из плотных нижних слоев в верхний разрыхленный слой, между тем как передача воды капиллярным движением при указанных условиях невозможна. Для стран с климатом сухим, где передача воды из нижних слоев вверх имеет значение большее, чем в климатах влажных, образование подземной росы, очевидно, более важно.

Против возможности передачи воды указанным способом можно привести то соображение, что ночью, когда почва вообще охлаждается, воздух входит в почву, а не выходит из нее, и, следовательно, образование подземной росы, хотя и возможное, не может происходить в размерах, заслуживающих нашего внимания. Так как теоретические соображения в настоящем случае не могут, однако, помочь разъяснению дела, то в Лесном институте Сачок произвел, по моему предложению, опыты следующего рода, для того чтобы иметь хотя некоторое понятие о количестве воды, передаваемой из нижних слоев вверх при условиях образования подземной росы. Опыты производились всегда так, что в два цилиндра помещалась почва по возможности одинаково. Один цилиндр закрывался пришлифованной стеклянной пластинкою для устранения воды из почвы; в этом случае вода из нижних слоев в верхние могла подниматься только вследствие капиллярности; другой цилиндр закрывался тоже герметически особого рода цинковой чашкою, наполненной льдом, причем были приняты меры, чтобы охлаждался только верхний слой почвы. В этом случае вода из нижних слоев могла переходить и вследствие капиллярности и вследствие образования подземной росы. Сравнивая оба цилиндра, можно было судить о количестве образовавшейся подземной росы. Следующие опыты нельзя не признать поучительными.

В нижней части цилиндров была влажная земля, содержавшая 25,39% воды; сверху находился рыхлый слой толщиною в 6 дюймов; земля в этом слое содержала 5,63% воды. При наблюдении в течение трех дней найдено воды в верхнем слое:

Следовательпо, при толщине сухого слоя в 6 дюймов образование подземной росы было незаметно.

При других опытах влажный слой содержал 26,15% воды, г верхний сухой 5,99% воды; толщина этого слоя была в 3 дюйма. Наблюдения производились в течение 11 дней. Вот некоторые результаты их:

Здесь, при менее глубоком слое, образование подземной росы уже более заметно; нс еще более оно видно при следующих опытах, когда толщина верхнего сухого слоя была 1% дюйма. Нижний слой почвы содержал 26,35% воды, а верхний—8,61%. Определения воды делались потом в верхней п нижней половинах верхнего слоя отдельно; при этом найдено:

Точно так же ясно заметно отложепие росы при следующих опытах, когда почва в цилиндре сперва была влажной до поверхности (она содержала около 25,5% воды), но потом верхний слой высох приблизительно до глубины 1 дюйма. При этом найдено воды:

Все эти опыты показывают, что отложение подземной росы возможно только в тех случаях, когда сухой верхний слой тонок, в противоположном случае нижние части сухого слоя не охлаждаются и образования росы в них не происходит; точно так же и в верхней части сухого слоя образование росы при этом условии незаметно, очевидно, по той причине, что из глубоко лежащего влажного слоя водяные пары не могут доходить до верхней охлажденной части сухого слоя.

Следующие опыты с почвою, влажной до самой поверхности, подтверждают то же самое. При таких опытах найдено, между прочим:

Начальная влажность в обоих цилиндрах 25,75%.

После опыта найдено воды:

Все эти опыты приводят к заключению, что образование подземной росы возможно только в незначительном по толщине слое почвы, за которым тотчао же следует влажный слой.

Что касается влияния температуры на скорость испарения воды из почв, или, другими словами, на скорость высыхания почв, то предмет этот почти не изучался до сих пор; даже испарение воды при разных температурах до насстоящего времени почти не подвергалось достаточно точным и обширным исследованиям.

Мы знаем из простых наблюдений, что при большей температуре почвы высыхают быстрее, но в какой степени быстрее—неизвестно. По мнению Дальтона, как известно, скорость испарения воды может быть выражена формулою А (5—s), где А выражает постоянную величину, определяемую опытным путем, S—наибольшую упругость паров при данной температуре, a s—упругость паров, находящихся в воздухе. Но не все опытные исследования согласуются с этою формулою. По теоретическим соображениям и экспериментальным исследованиям Стефана, скорость испарения жидкостей (в зависимости от температуры) пропорциональна логарифму дроби, числитель которой есть давление воздуха, а знаменатель—давление воздуха без наибольшей упругости паров для данной температуры; если же пары жидкости имеются уже в воздухе, то формула изменяется так, что вместо наибольшей упругости паров при данной температуре нужно взять разность между этой упругостью и упругостью пиров, уже находящихся в воздухе.

Произведенные в Лесном институте (пока предварительные) исследования Тринитатовым над испарением воды из почв, насыщенных ею, дали результаты, сходные с результатами Стефана, хотя вследствие небольшого числа наблюдений эти исследования не могут считаться вполне достаточными.

Кроме всего указанного выше, при изменениях температуры почв наблюдаются особенные явления в тех случаях, когда почвы охлаждаются до замерзания в них воды. Тогда в ней замечаются явления, сопровождающиеся изменением ее строения, а следовательно, и всех вообще физических свойств. Известно, что вода в капиллярных трубках может быть охлаждена значительно ниже 0° без замерзании ее; несомненно, что подобное переохлаждение воды бывает и в почвах; кроме того, соляные растворы замерзают при температурах ниже 0°, а следонательпо, и почвенные растворы могут замерзать только при более низкой температуре; но как бы то ни было, при наступлении морозов мы видим, что почвы замерзают.

Практические хозяева считают вообще полезным промораживание почв, в особенности же почв тяжелых, и полагают, что почвы делаются от этого рыхлее. При этом, очевидно, предполагается, что вода в почве замерзает там, где она находится, и так как лед имеет больший объем, чем вола, из которой он образовался, то все частицы почвы после замерзания воды будут раздвинуты; обыкновенно считают, что они остаются раздвинутыми и после оттаивания почвы.

Все эти соображения не были, однако, проверены опытами до недавнего, сравнительно, времени. Первый опыт, который мог дать указания относительно действия мороза па почвы, сделан был известным ботаником Саксом, который, изучая действие мороза на растения, замораживал различные влажные вещества и в числе их торф. Оказалось, что после промораживания и оттаивания сырого торфа из него вытекала часть воды; это указывает, что от промораживания влагоемкость торфа уменьшается, а из этого надо заключить, что скважины между частицами торфа суживаются, т. е. торф делается не рыхлее, а плотнее.

Обстоятельным исследованием пад влиянием промораживания на различные почвы мы обязаны теперешнему профессору Петровской академии Фаддееву.

Фаддеев показал, что из влажных промороженных и снова оттаявших почв действительно вытекает часть воды, и если эту воду опять налить на оттаявшую почву, то она уже не задерживается почвою, т. е. влагоемкость почв после замораживания их действительно уменьшается, а это значит, что почвы делаются плотнее. Кроме того, найдено, что после промораживания оттаявшие почвы делаются менее связны, так как они распадаются на куски при меньшем давлении.

Фаддеев указал, что явления эти объясняются тем, что при замерзании почв лед образуется преимущественно только в некоторых местах, к которым стягивается вода из других частей почвы. Вследствие этого местами образуются гнезда льда, а в других частях почвы количество воды уменьшается, вследствие чего в этих частях почва уплотняется, как прп высыхании. В местах образования льда после его растаивания остаются такие большие полости, что в них не может задерживаться вода, и в уплотнившихся частях почвы ее задерживается тоже меньше.

Меньшее сопротивление промороженных почв раздавливанию можно объяснить только образованием в почве трещин. При опытах Фаддеева выставлялись на мороз небольшие куски почвы, так что мороз на почву действовал быстро и почвы охлаждались со всех сторон одновременно. При таких условиях не могли обнаружиться следующие явления, легко наблюдаемые иногда во время замерзания почв при естественных условиях.

Нп почву в ес естественном положении мороз действует только сверху, причем земля, смотря по силе и продолжительности морозов, промерзает па большую или меньшую глубину. Если на почву действует несильный, но довольно продолжительный мороз, от которого промерзает небольшой слой земли, например, до глубины ¹/₄ вершка, то сжатию подвергается только этот замерзнувший слой. В нем образуется тогда система трещин, совершенно так же, как и при быстром высыхании его в жаркое время. Вслед за образованием трещин замерзший слой отстает от слоев ниже лежащих в виде разной величины скорлупок, края которых приподняты, а средина углублепа,—явление опять вполне сходное с тем, какое замечается при засыхании сплывшейся от дождей корки на земле. Причина явления в обоих случаях та же самая—большее сжатие поверхности в одном случае от мороза, а в другом—от действия солнца и сухого ветра. Нижняя сторона скорлупок, отщепляющихся от почвы при морозах, представляет границу, до которой доходит их действие. Снявши скорлупку, мы часто находим под нею целую щетку кристалликов льда, которые подпирают скорлупку снизу и с течением времени становятся выше вследствие притока воды из нижних слоев и замерзания ее. Если таким образом происходит замерзание почвы, образующей склон, например, на откосах канав, на обрывистых берегах речек, на круто поставленных пластах вспаханной почвы и т. п., то отщепившиеся скорлупки скатываются вниз, обнажают следующий слой почвы, с которым происходит то же самое, и т. д. На крутых обрывах оврагов, где снег долго не закрывает земли, вследствие такого процесса отщепления сваливается вниз иногда весьма много земли, и берег делается как бы подкопанным.

Свалившиеся скорлупки потом при обработке почвы могут быть разбиты на мелкие комки, но их труднее разбить в порошок вследствие их большей плотности. Таким образом, все сказанное приводит нас к тому, что промораживание почв способствует приобретению ими прочного комковатого строения, и в силу этого действует благоприятно на плодородие их.

Понятно, что все указанные процессы проявляются с большей или мень шей резкостью, смогря по тому, как сильны и продолжительны морозы и сколько времени земля не закрывается снегом.

Указанные явления имеют важное значение не только по их влиянию во улучшение почв, но также и по их участию в вымерзании растений; об этом предмете распространяться в настоящей книге было бы, однако, неуместно.

Подобно травянистой растительности действует на температуру почвы растительность лесная. Чтобы показать это, приведем здесь следующую таблицу из исследований Эбермайера.

В среднем выводе из наблюдений на всех баварских станциях температура почвы в лесу и вне леса в отдельные месяцы п в среднем выводе за год была такова (в градусах Реомюра):

Под покровом деревьев температура в среднем выводе ниже температуры свободной почвы; наибольшая разница в нагревании замечается летом, когда свободная почва значительно теплее лесной; зимою, наоборот, лесная почва бывает в некоторые месяцы теплее свободной почвы. Изменения почвенной температуры в лесу меньше, чем на открытых местах.