Дипломная работа: Оценка теплого периода для определения оптимальных условий ведения сельского хозяйства на территории юга Западной Сибири

Атмосфера Земли прозрачна лишь для небольшой части электромагнитного излучения Солнца. Она пропускает часть ультрафиолета и инфракрасное излучение и весь видимый свет. От высоты Солнца, прежде всего, зависит мощность светового потока. Этот поток в северных широтах менее интенсивен, но растянут по времени [2]. На растения влияют: продолжительность солнечного освещения, интенсивность солнечной радиации, спектральный состав света [1].

Освещенность – отношение светового потока к площади освещаемой территории. (измеряется в люксах) [2]. Реакция растений на продолжительность освещения называется фотопериодизмом. По этому понятию растения условно делят на три группы. Растения длинного дня, так как пшеница, рожь, ячмень и другие. Растения короткого дня представляются кукуруза, рисом, редисом и другими. Нейтральные растения представляются гречихой и многими бобовыми [1]. Недостаточная освещенность в посевах обуславливает полегание растений, замедления образования плодов, торможение биосинтетических процессов и замедление поглощения питательных веществ.

Фотосинтетическая активная радиация - это коротковолновая радиации в интервале от 0,38 до 0,71 мкм, которая оказывает решающее значение для жизни растений. Это важнейший фактор продуктивности растений, в том числе сельскохозяйственных культур. Её интенсивность измеряют инструментально.

От количества солнечной радиации зависит интенсивность многих процессов, протекающих в растениях, в частности фотосинтез. Суммарная радиация, падающая на различные поверхности растений, поглощается, отражается, рассеивается, создавая радиационный режим растительного покрова. Плотность потока радиации и спектральный состав постоянно меняется, в первую очередь зависящий от высоты Солнца и структуры посева. В плотных посевах около 25% поступающей радиации отражается, и больше половины поглощается верхним ярусом растений [1].

Формирование оптимального радиационного режима в растительном покрове осуществляется своевременным применением разнообразия агротехнических приемов и селекционной работой по созданию сельскохозяйственных культур, адаптированных к условиям их возделывания [1].

1.2 Температурный и тепловой режим растительности

Лучистая энергия Солнца, поглощенная поверхностью суши, океана, преобразуется в тепло. Теплообмен между атмосферным воздухом и окружающей средой осуществляется радиационным путем, путем теплопроводности, испарения с последующей конденсацией или кристаллизацией водяного пара и турбулентности. Часть тепла затрачивается на нагревание приземного слоя атмосферы, почвы, растений, на испарение с поверхности почвы и растений (транспирация), часть передается в нижележащие слои почвы. Локальные изменения температуры в какой-либо точке происходят в зависимости от адвекции

Температурный режим почвы зависит от прихода солнечной радиации на подстилающую поверхность и в глубину почвы. Дневное нагревание и ночное охлаждение вызывает суточные колебания температуры подстилающей поверхности. Температура почвы зависит от механического состава и степени увлажненности.

Наибольшая разность температур в течении суток наблюдается на поверхности почвы. Минимум температуры приходится на предрассветные часы, а максимум в полуденные часы. Это представляет собой суточный ход температуры почвы. При влиянии облачности, осадков или адвекции суточный ход нарушается. Разность между максимумом и минимумом называется амплитудой.

Амплитуда суточного хода температуры почвы выше, чем поверхности с густой растительностью или снегом. Растительность в теплое время понижает температуру поверхности почвы. Холодная, малоснежная зима способствует глубокому промерзанию почвы. Напротив, высокий снежный покров, благодаря своим теплоизолирующим свойствам способствует сохранению тепла под снегом, и способствует уменьшению промерзания почвы. Тесно связаны с температурным режимом почвы жизненные циклы развития вредителей и болезней растений [1].

Температурный режим воздуха непрерывно меняется во времени и пространстве. В разных географических районах Земли в одно и то же время температура очень различна.

Тепловой режим воздуха определяется в основном процессами теплообмена с деятельной поверхностью и поглощением солнечной радиации. Нагревание слоя воздуха происходит при теплопередачи тепла от нагретой подстилающей поверхности. Т.е. подстилающая поверхность теплее, чем воздух. Ночью же воздух теплее поверхности [2].

Растительный покров также уменьшает амплитуду суточных колебаний температуры воздуха, поскольку днем он поглощает часть потока солнечной радиации, а ночью задерживает земное излучение.

Структура растительного покрова в значительной мере определяет его температурный режим. Потребность растений в тепле варьирует в широких пределах в зависимости от вида, фазы развития, от конкретных условий их произрастания или возделывания. Высокая температура почвы и воздуха в период формирования зерновых культур условиях недостатка почвенной влаги снижает урожай до 50%. Жаркая сухая погода в период налива зерна также значительно снижает урожай зерновых культур.

В процессе многолетних исследований агрометеорологами изучены потребности в тепле практически всех сельскохозяйственных культур. Потребность растений принято выражать в суммах активных температур и эффективных температур.

Активная температура – это количественный показатель тепла, выражающий сумму средних суточных температур воздуха или почвы, превышающие биологический минимум температуры [1]. Эффективные температуры – количественный показатель тепла, выражающий сумму средних суточных температур воздуха или почвы, не превышающие биологический минимум температуры. Однако такие суммы не являются константами, поскольку на эти величины оказывает влияние влаги растений, зимний период, виды растений и уровень биологического минимума.

Таким образом, температура воздуха является одним из основных факторов жизнедеятельности растений. Учет температурного режима на сельскохозяйственных полях, в среде растений, а так же в парниках и теплицах представляет собой важное условие для получения высоких и устойчивых урожаев. Более того, для размещения новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур необходимы сведения о потребностях растений в тепле (суммы активных и эффективных температур). Данные температурного режима необходимы для планирования сроков и норм посева, сроки уборки урожая [1].

1.3 Осадки, влажность воздуха и испарение

Часть атмосферных осадков используется растительным покровом, в процессе их жизни возвращаются в атмосферу через транспирацию и испарение. В агрометеорологии обычно используют суммы осадков, выпавших за декаду, месяц и вегетационный период. Cнег, выпадающий, при устойчивых отрицательных температурах воздуха и почвы, образует снежный покров. Состояние снежного покрова характеризуется его высотой, плотностью и характером залегания. Различное сочетание характеров залегания снега обуславливает его неравномерность [2].

Теплопроводность снега зависит от его плотности. Чем плотность снега выше, тем его теплопроводность увеличивается, а чем теплопроводность слабее, то благодаря этому почва защищается от резких колебаний температур на зимующие культуры. Снежный покров аккумулирует осадки холодного времени года, и весной в процессе таяния образуется много воды, часть которой накапливается в почве. Накопление и сохранение влаги на полях зависит от высоты и плотности снега, глубины и степени промерзания почвы. Чем выше снежный покров и больше его плотность, тем больше запас воды, содержащейся в нем.

Зимой температура почвы зависит от высоты снежного покрова, плотности и структуры снега. Под воздействием колебания температуры и интенсивности солнечной радиации выпавший снег уплотняется. При наступлении ранней весны снег начинает таить, насыщая влагой снег, оседает, замедляет прогревание почвы, это способствует раннему пробуждению зимующих растений. В защиту сельскохозяйственных культур от гибели большая роль принадлежит снегозадерживанию, снегоуплотнению и снегонакоплению. Для ускорения таяния снега проводят специальные работы по снегосносу - производство зачернения поверхности снега торфяной или угольной пылью [1].

Влажность воздуха имеет следующие величины: абсолютная влажность, парциальное давление водяного пара, давление насыщенного водяного пара, относительная влажность, дефицит насыщения, температура точки росы и удельная влажность. В растительном покрове относительная влажность распределяется неравномерно, в среде растений водяного пара больше, чем над оголенной почвой. Поскольку растения испаряют влагу и снижают скорость ветра, происходит ослабление турбулентной диффузии пара. Так в посевах пшеницы относительная влажность в ясные дни на 20-30% выше, чем над оголенной почвой. Следовательно, дефицит насыщения в посевах сельскохозяйственных культур значительно меньше, чем над оголенной почвой.

Относительная влажность воздуха применяется для оценки благоприятности условий произрастания растений. В период роста и цветения низкая влажность воздуха способствует быстрому высыханию пыльцы, отчего происходит неполноценное оплодотворение зерновых культур. Длительный период вегетации летом при относительной влажности менее 30% вызывает у растений недостаток влаги, вследствие чего происходит сокращение листовой поверхности, скручивание, усыхание и опадение листвы. В условиях длительного периода жаркой и сухой погоды растения могут полностью погибнут.

Повышенная относительная влажность воздуха более 80% обуславливает крупноклеточное строение механических тканей растений, снижающее устойчивость к полеганию наземных побегов зерновых, препятствует эффективному опылению растений в период их цветения. Кроме того, избыточная влажность воздуха создает благоприятные условия для развития грибковых болезней на примере фитофторы, белая гниль, ржавчина и другие [1]. Пониженный дефицит насыщения замедляет созревание пшеницы и просыхание зерна и соломы в скошенных валках. При дефиците насыщения более 8 гПа складываются благоприятные условия для работы уборочных работ, при дефиците менее 3 гПа условия плохие, так как влажная масса соломы забивает рабочие органы агрегатов, а зерно плохо отделяется от колоса.

Учет влажности воздуха имеет большое значение при проведении многих хозяйственных мероприятий: уборке и закладке кормов на хранение, сушке зерна. Влажность учитывается также при стойловом содержании сельскохозяйственных животных [1]. На европейской территории России испаряемость увеличивается в направлении с северо-запада на юго-восток, так как в этом направлении возрастают ресурсы тепла и сухость воздуха [2].

Суммарное испарение с сельскохозяйственных полей зависит от характера погодных условий, от биологических свойств растений и фазы их развития, от мощности растительного покрова, от степени развитости его корневых систем и от применяемой агротехники возделывания культур [1].

В начале вегетации, когда испаряющая поверхность растений еще незначительна, испарение с поверхности почвы больше, чем с поверхности растений. Это сложный физический и физиологический процесс, зависящий от условий окружающей среды: освещенности, температуры и влажности воздуха, силы ветра, а так же от биологических особенностей называется транспирацией. Внутри органов растения вода испаряется с поверхности клеток.

Корневая система всасывает влагу из почвы и по проводящим сосудам снабжает все органы растения водой и элементами минерального питания, растворенными в ней. Транспирация происходит также и через покровные ткани стеблей и плодов. Расходы воды на транспирацию обычно выражают через показатель, называемый коэффициентом транспирации. Это отношение массы воды, расходуемой растением путем транспирации, к массе сухого вещества. Этот коэффициент очень различен, так например, для пшеницы он составляет 500 грамм воды [1].

Большую роль в формировании вегетации растений является выпадения осадков из атмосферы, а также их образование на подстилающей поверхности. Наземные осадки образуются в результате конденсации или сублимации водяного пара непосредственно на подстилающей поверхности. Роса – это мельчайшие капли воды, образовавшиеся на поверхности земли, растительного покрова в теплое время года. Образование происходит в результате радиационного охлаждения, когда температура поверхности и прилегающий к ней воздух опускается до точки росы выше 0 ⁰ С, и сконденсировавшийся пар выделяется на поверхности в виде мелких капель воды [2]. Роса имеет немалое значение для жизнедеятельности растений, особенно в засушливых регионах, где за теплый период ее суммарное выделение из воздуха достигает 10-30 мм [1].