Определение профильного распределения температуры почвы на основании температуры ее поверхности

Optimization of Application of Poultry Manure for Barley on Meadow-Chernozem Soil of the Southern Forest-Steppe of Western Siberia

I. A. Bobrenko1, N. I. Goman1, N. T. Trubina1, A. G. Schmidt1' 2

1P. A. Stolypin Omsk State Agrarian University, Institutskaya pl., 1, Omsk, 644008, Russian Federation 2Center of Agrochemical Service "Omsky", prosp. Koroleva, 34, Omsk, 644012, Russian Federation

Abstract. The aim of the research was to study the effect of chicken manure on spring barley productivity and soil fertility in the forest-steppe of Western Siberia. The research was carried out on spring barley 'Podarok Sibiri' ("Gift of Siberia") in Omsk region in 2015-2017. In the soil before sowing the content of N-NO3 was 2.34-7.20 mg/kg, P2O5 - 99-124 mg/kg, K2O - 252-360mg/kg, humus - 4.20%. All variants of manure applications provided a significant increase in grain yield. Doses of 16 and 20 t/ha were the most effective; the yield growth was 0.74 and 0.84 t/ha, respectively, or 24.83 and 26.55% relative to a control. The use of litter waste for barley significantly increased the content of nitrate nitrogen in the soil from a very low (5.21 mg/kg in the control) to a high level (22.3-43.0 mg/kg when the dose of litter waste was 4-20 t/ha) and mobile phosphorus - from increased (113 mg/kg in the control) to high one (161-176 mg/kg when the dose of litter waste was 12-20 t/ha). The greatest amount of crude protein was accumulated in grain in the case of the dose of 16 t/ha - 14.00 % (the content in the control variant was 13.67%). Forfatand fibercontent the values were 1.43 and 1.53%, 4.0 and4.4%, respectively. The studies determined the payback of 1 ton of litter with additionalyield (42 kg of grain); the coefficients of action of 1 ton of litter on the chemical composition of the soil (N-NO3 - 1.65 mg/kg; P2O5 - 2.39mg/kg; K2O - 3.84 mg/kg); the content of nitrogen of current nitrification (55 kg/ha); the cost of nutrients to create 1 ton of grain (N -35 kg, P2O5 - 21kg, K2O - 14 kg); the amount of nutrients introduced with 1 ton of litter (N - 37 kg, P2O5 - 23 kg, K2O - 12 kg); the coefficients of utilization of elements from the soil (N - 0.88, P2O5 - 0.09, K2O - 0.04) and manure (N - 0.35, P2O5 - 0.41, K2O - 0.88). These indicators can be used to optimize the nutrition of spring barley plants when fertilizing.

Keywords: barley (Hordeum sativum L.); fertilizer; litter; quality; yield.

Author Details: I. A. Bobrenko, D. Sc. (Agr.), head of department; N. I. Goman, Cand. Sc. (Agr.), assoc. prof.; N. T. Trubina, 00 Cand. Sc. (Agr.), assoc. prof.; A. G. Schmidt, 5 senior lecturer, department manager (e-mail: N agsch@mail.ru).

^ For citation: Bobrenko I. A., Goman N.

Z I., Trubin N. T., Schmidt A. G. Optimization of

jjj Application of Poultry Manure for Barley on

5 Meadow-Chernozem Soil of the Southern o

^ Forest-Steppe of Western Siberia. Zemledelije.

| 2018. No. 7. Pp. 23-26 (in Russ.). DOI:

S 10.24411/0044-3913-2018-10706.

001: 10.24411/0044-3913-2018-10707 УДК: 631.436

Определение профильного распределения температуры почвы на основании температуры ее поверхности

Е. В. ШЕИН доктор биологических наук, профессор (e-mail: evgeny.shein@gmail.com) А. Г. БОЛОТОВ3, доктор биологических наук, профессор (e-mail: agbolotov@gmail.com) М. А. МАЗИРОВ3, доктор биологических наук, зав. кафедрой

A. И. МАРТЫНОВ3, аспирант Московский государственный университет имени

М. В. Ломоносова, Ленинские горы, 1, Москва, 119991, Российская Федерация 2Почвенный институт имени

B. 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

W , г/г

Рис. 1. Зависимость температуропроводности почв (КТ, см2/час) от влажности почвы (№, г/г), полученные лабораторным (по Кондратьеву) и полевым (температурной волны) методами: ♦ — лабораторный метод (по Кондратьеву); % — полевой метод.

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. ЭО!: 10.24411/0044-39132018-10707.

В производственных условиях нередко возникает задача определения и краткосрочного прогноза температуры почвы на конкретной глубине, например, для уточнения сроков посева. Более того, развитие точного земледелия предполагает реализацию дифференцированного подхода к обработке различных участков поля в зависимости от агрофизических параметров почвенного покрова, в том числе температуры подпочвенных слоев пахотного слоя. В этом случае оперативной информацией для начала обработки или посевов на различных участках поля служит температура на необходимой для проведения той или иной технологической операции глубине. Проблема состоит в том, что температуру поверхности почвы сейчас можно определить быстро и на значительной площади с помощью средств дистанционного зондирования, однако посев обычно осуществляется на 7...15 см ниже поверхности в зависимости от культуры. Определение температуры почвы на некоторой глубине представляет определенные сложности, так как необходимо учитывать не только температуру поверхности, но и прогрев по профилю. Этот прогрев, то есть распространение тепловой волны от поверхности вглубь почвы, будет во многом зависеть от таких свойств почвы,как влажность, гранулометрический состав, плотность и др. [1]. Экспериментально определить температуру на определенной заданной глубине возможно с помощью современных термодатчиков [2, 3]. Однако этот способ затратен, требует операторов и не дает возможности прогнозировать температуру на определенной глубине, что особенно важно в период весеннего интенсивного прогрева почвы.

Цель наших исследований - разработать метод расчета темпера-

туры почвы по профилю на необходимой глубине на основе данных по температуре поверхности почвы и некоторых её теплофизических свойств.

Для ее достижения решали следующие задачи: разработать алгоритм расчета температуры почвы на определенной глубине;разработать метод быстрой полевой оценки теплофизических свойств почв, необ-

ходимых для такого рода расчетов; апробировать методику расчета для конкретных почвенных условий; оценить возможные погрешности метода и способы их уменьшения.

Известно теоретическое уравнение распределение температуры в профиле гомогенной среды [1, 4], которое с определенными допущениями и конкретными почвенными параметрами, варьирующими по

28

27 26 25

О 24 1-" 23 22 21 20 19

35 33 31 29

О

о 27

н"

25 23 21

19

28 27

26 25

О 24 23 22 21

20 19

t = 9 ч

20 40

Глубина, см

60

t = 14 ч

Хо

1 Ь--

1

20 40

Глубина, см

60

t = 19 ч

К

20 40

Глубина, см

60

Рис. 2. Профильное распределение температуры почвы в различные моменты времени в течение суток: # — экспериментальные значения; Ш — расчетные значения с использованием лабораторного метода; А — расчетные значения с использованием полевого метода температурной волны.

Ы

Ф

з

ь

ф

д

ф ь

Ф

О 00

глубине в зависимости от свойств и влажности, можно использовать и для почвы:

7" (г, ?) = 7"0 х е^с

со ^

о см N

ш ^

ш и

ш ^

2

ш м

где Т(z,t) - температура на глубине z (м) во время t (с), °С; КТ- температуропроводность почвы при данной влажности, м2/с, Т0 - температура поверхности почвы, °С.

При использовании этого уравнения необходимо знать температуру на поверхности почвы (Т0) и КТ для слоя почвы от поверхности до требуемой глубины расчета, которая зависит от фундаментальных свойств почв (гранулометрический состав, плотность и пр.) и влажности почвы. На сегодняшний день известно, что КТ зависит от влажности нелинейно, причем тип зависимости специфичен для определенной почвы или участка почвенного покрова сельскохозяйственного поля [5]. В связи с этим возникает задача разработки быстрого и надежного полевого метода определения величины температуропроводности и её зависимости от влажности, который с учетом специфики агротехнических работ вполне мог бы быть применим в практической агрономии для решения поставленной проблемы определения и прогноза температуры почвы на определенной глубине по температуре поверхности почвенного покрова.

Объект исследования - суглинистые агродерново-подзолистые (11тЬг1с Д!Ье!иу|8о!8 ДЬгир^с) почвы (Московская область, Россия, Зеленоградская опытная станция Почвенного института имени В. В. Докучаева). В нашем исследовании представлены результаты изучения почвенного профиля горизонтов Д (0...30) см, Е1_ (30...40) и В1 (40... 50 см).

Коэффициент температуропроводности определяли лабораторным методом Кондратьева [6], а также полевым методом, основанным на динамическом (суточном) измерении температуры почвы на двух соседних глубинах и одновременном определении влажности. Это так называемый метод тепловой волны, который базируется на представлении суточной динамики температуры в виде гармонической (например, синусоидальной) функции, а коэффициент температуропроводности Кт можно найти из величины уменьшения суточной амплитуды температуры с глубиной и по запаздыванию фазы температурной волны на двух соседних глубинах [7, 8].

Анализ изменения коэффициента температуропроводности от влаж-

ности для различных горизонтов агродерновой почвы, полученных лабораторным (по Кондратьеву) и полевым методом температурной волны (по суточной динамике температуры) свидетельствует, что эта зависимость не линейна и имеет максимум в области влажности, близкой к влажности наименьшей влагоемкости (рис. 1). Причем используемые методы дают несколько различные результаты. Поэтому обоими методами был осуществлен расчет температуры почвы на различных глубинах (в диапазоне до глубины 60 см), сравнение расчетных величин с экспериментальными значениями и выбор наиболее адекватного по наименьшей погрешности.

При определении температуры почвы по профилю в три момента времени суток (утро, день и вечер) наиболее близко экспериментальному профильному температурному

распределению соответствовали значения, рассчитанные с использованием функции температуропроводности, полученной с помощью метода тепловой волны (рис. 2).

Для уточнения наиболее приемлемого времени суток для расчета температуры почвы на определенной глубине по температуре ее поверхности при одной и той же влажности почвы была рассчитана ошибка прогнозирования на основе экспериментальных определений (Т ) и рассчитанных (Т ) [9]:

* экс ^ у расч' J

При этом расчет температуры почвы по профилю проводили с использованием двух вариантов верхнего граничного условия: Т0=Т(0,0 и

30

25

20

б4 <я

15

10

12 16 Время суток, часы

20

16

12

в4 <я

12

Время суток, часы

16

Рис. 3. Динамика ошибки расчета температуры почвы в зависимости от верхнего граничного условия: 1) Т0=Т(0,0); 2) Т0=Т(0,1)-Т(0,0): % — расчетные значения с использованием лабораторного метода; Ш — расчетные значения с использованием полевого метода температурной волны.

/0=Т(0,о-Т(0,0). В первом значения

5

2

8

4

0

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

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 имеет меньшие значения в более широком временном диапазоне, но при этом необходим инструментальный контроль значений 7(0,0, например, с использованием данных дистанционного зондирования.

Минимальная погрешность расчета температуры почвы по профилю при использовании 2-ого варианта верхнего граничного условия не превышает 5 % с 13 до 19 ч. (рис. 3), что ниже, чем в 1 -ом варианте (с 12 до 16 ч. - 10 %).

Для практического применения предложенного метода можно рекомендовать определение температуры поверхности почвы днем во время её прогрева, что характерно для весенне-летнего периода. По этой температуре, в случае наличия данных о температуропроводности почвы при конкретной влажности, можно рассчитать температуру почвы на заданной глубине. Этот метод определения и краткосрочного (по метеопрогнозам температуры поверхности почвы) прогноза температуры почвы на заданной глубине вполне применим для современного агропромышленного производства, например, при использовании агро-технологии точного земледелия.

Предложенное решение задачи можно использовать при определении температуры на любой глубине почвенного профиля, а также при ее моделировании с использованием данных дистанционного зондирования. В этом заключается практическое предназначение предложенного метода: по дистанционным приборам можно определить температуру поверхности, а затем с помощью изложенного метода можно рассчитать ее на любой глубине почвы, что крайне важно для сельскохозяйственных растений как при посеве, так и в период дальнейшего развития. При этом необходимое условие - предварительное определение функции температуропроводности почвы.

Таким образом, в результате проведенных исследований разработан аналитический метод расчета температуры почвы на необходимой глубине в конкретный момент (диапазон) времени на основе данных о температуре её поверхности и теплофизических свойствах. Наиболее соответствовали экспериментальному профильному распределению температуры почвы значения,

рассчитанные с использованием функции температуропроводности, полученной с использованием метода тепловой волны. Для рассмотренной тепловой задачи установлено, что минимальная погрешность расчета температуры почвы по профилю характерна для верхнего граничного условия, полученного экспериментально. В варианте расчета температуры почвы по профилю с верхним граничным условием с постоянными значениями температуры, приравненными к начальному условию, значения погрешности расчета были выше, чем при экспериментальном граничном условии. Также установлено, что расчетный диапазон времени с минимальной температурной погрешностью больше в первом варианте задачи, чем во втором.

Литература.

1. Чудновский А. Ф. Теплофизика почв. М.: Наука, 1976. 352 с.

2. Болотов А. Г. Измерение температуры почвы с помощью технологии 1-Wire // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2012. № 11. С. 29-30.

3. CS230 Temperature Profiler. Revision: 4/17: instruction manual // Campbell Scientific [Электронный ресурс]. URL: https://s.campbellsci.com/documents/ us/manuals/cs230.pdf (дата обращения: 19.09.2018).

4. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.

5. Моделирование теплового режима почвы по амплитуде температуры приземного воздуха / Е. В. Шеин, А. Г. Болотов, М. А. Мазиров и др. // Земледелие. 2017. № 7. С. 26-28.

6. Теории и методы физики почв / под ред. Е. В. Шеина, Л. О. Карпачевского. М.: Гриф и К., 2007. 616 с.

7. Нерпин С. В., Чудновский А. Ф. Энерго- и массообмен в системе растение - почва - воздух. Л.: Гидрометео-издат, 1975. 358 с.

8. Микайылов Ф. Д., Шеин Е. В. Теоретические основы экспериментальных методов определения температуропроводности почв // Почвоведение. 2010. № 5. С. 597-605.

9. Schaap M. G., Pachepsky Ya., Rawls W. J. Accuracy and uncertainty in PTF predictions // Development of pedotransfer functions in soil hydrology. Elsevier Science, 2004. Рр. 33-43.

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

E. V. Shein12, A. G. Bolotov3, M. A. Mazirov3, A. I. Martynov3

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 dif-fusivity 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: agbolotov@gmail.com); M. A. Mazirov, D. Sc. (Biol.), head of department; A. I. | Martynov, post graduate student. e

For citation: Shein E. V., Bolotov A. g G., Mazirov M. A., Martynov A. I. Deter- § mination of the Profile Distribution of Soil ^ Temperature Based on the Temperature of 2 the Soil Surface. Zemledelije. 2018. No. 7. 7 Pp. 26-29 (in Russ.). DOI: 10.24411/0044- M 3913-2018-10707. °

8