27
ững điều kiện bất thuận của ngoại cảnh, tăng diện tích v ổi thọ của lá làm tăng
ả năng hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời dẫn tới năng suất tăng.
CHƯƠNG 3
CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA ĐẤT
Nhiệt độ đất là một trong những nhân tố quan khối ảnh hưởng rất lớn đến hoạt
động sống của thực vật và sự hoạt động của lớp khí quyển gần sát mặt đất. Chúng ta
đều biết rằng: sự nảy mầm của hạt, sự hình thành v à phát triển của bộ rễ thực vật xảy
ra ở trong đất, sự phân giải các chất hữu cơ (cành rơi, lá rụng, các xác động thực vật
trong đất,…), chất dinh dưỡng hoà tan trong nước và nhiều quá trình sinh vật học, hoá
học, vật lý học khác cũng xảy ra ở trong đất. Tất cả những điều đó đối với sự sinh
trưởng, phát triển và năng suất của cây trồng đều có ý nghĩa quan khối. Do đó muốn
28
xác định đúng đắn điều kiện khí tượng nông nghiệp trong sự sinh trưởng, phát triển của
thực vật, cần phải biết trạng thái nhiệt của mặt đất.
1. Tính chất nhiệt của đất.
a. Nhiệt dung của đất.
Nhiệt dung của đất là đại lượng dùng để đánh giá khả năng nóng lên nhanh hay
chậm của đất. Nhiệt dung của đất được chia làm hai loại:
* Nhiệt dung khối lượng Cp (calo/g.độ) là lượng nhiệt cần thiết để làm 1gam đất
nóng lên 1oC.
* Nhiệt dung thể tích Cv (calo/c m3.độ) là lượng nhiệt cần thiết để làm 1cm3 đất
nóng lên 1oC.
Gọi d là tỷ khối của đất, mối quan hệ giữa nhiệt dung thể tích và nhiệt dung khối
lượng được biểu diễn:
Cv = Cp.d (calo/cm3.độ)
Bảng 5: Nhiệt dung cuả 1 số thành phần cấu tạo đất.
Nhiệt dung của đất phụ thuộc vào:
- Thành phần cấu tạo đất: các loại đất có cấu tạo từ thành phần khác nhau có
nhiệt dung khác nhau:
Thành phần Nhiệt dung khối lượng Cp
(calo/g/độ)
Nhiệt dung thể tích Cv
(calo/cm3/độ)
Cát 0,18 0,49
Sét 0,28 0,59
Than bùn 0,48 0,60
Không khí trong đất 0,24 0,0003
Nước trong đất 1,00 1,00
Từ kết quả nghiên cứu ở bảng 6 cho thấy:
+ Nhiệt dung thể tích của mọi thành phần rắn trong đất dao động từ 0,4-0,6 calo/cm3.độ
+ Nhiệt dung thể tích của không khí trong đất là 0,0003 calo/cm3.độ.
+ Nhiệt dung của nước bằng 1 calo/cm3.độ (V1g= 1cm3)
Trong đất hầu như luôn có chứa nước và không khí. Chính vì vậy trong đất càng
nhiều nước, càng ít không khí thì nhiệt dung thể tích càng lớn.
- Độ ẩm đất:
Bảng 6: Nhiệt dung thể tích của các loại đất có độ ẩm khác nhau
(calo/cm3/độ)
Các loại đất Độ ẩm đất (%)
29
0 20 50 80 100
Đất cát 0,35 0,40 0,48 0,58 0,63
Đất sét 0,26 0,36 0,53 0,72 0,90
Đất nhiều mùn 0,15 0,30 0,52 0,75 0,90
Than bùn 0,20 0,32 0,56 0,79 0,94
Từ đó ta có thể giải thích được sự nóng lên và lạnh đi rất khác nhau của các loại
đất khi có cùng một nguồn năng lượng bức xạ mặt trời như nhau.
- Các loại đất có nhiệt dung nhỏ dễ bị đốt nóng lên và lạnh đi nhanh hơn so với đất
có nhiệt dung lớn làm cho các loại đất có nhiệt dung nhỏ biến động mạnh mẽ hơn so
với các loại đất có nhiệt dung lớn.
- Đất ẩm có chế độ nhiệt ôn hoà hơn ít dao động hơn so với đất khô.
Vì vậy, các loại đất khô thiếu ẩm thường có chế độ nhiệt không ổn định, chúng
nóng lên về ban ngày nhanh và lạnh đi về ban đêm nhanh. Sự biến động này đã ảnh
hưởng lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đặc biệt đối với đất
cát.
b. Hệ số dẫn nhiệt của đất λ (calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1): hệ số dẫn nhiệt của đất là
đại lượng dùng để đánh giá khả năng truyền nhiệt của các loại đất.
Hệ số dẫn nhiệt của đất λ (calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1) là lượng nhiệt đi qua một đơn
vị diện tích 1 cm2, có độ dày 1 cm, trong thời gian một giây, khi nhiệt độ chênh lệch
giữa hai lớp kế cận nhau là 10C.
Độ lớn của hệ số dẫn nhiệt quyết định bởi đặc tính vật lý của đất. Các loại đất
khác nhau thì hệ số dẫn nhiệt của chúng cũng rất khác nhau và nó phụ thuộc vào:
- Thành phần cấu tạo của đất: đất có thành phần cấu tạo khác nhau thì hệ số
dẫn nhiệt của chúng cũng khác nhau.
+ Hệ số dẫn nhiệt (HSDN) của nước: 0,0013 calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1
+ Hệ số dẫn nhiệt của không khí: 0,00005 calo.cm-2.c m
-1.s-1.độ-1
+ HSDN của thành phần rắn trong đất: 0,001-0,006 calo.cm
-2.c m
-1.s-1.độ-1
Bảng 7: Hệ số dẫn nhiệt λ (calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1 ) của một số thành phần cấu tạo đất.
Thành phần Hệ số dẫn nhiệt Thành phần Hệ số dẫn nhiệt
Đá vôi 0,0019 Hạt sét 0,0044
Cát khô 0,00026 Nước 0,0013
Cát ẩm 20% 0,00252 Không khí 0,00005
- Ẩm độ đất: nước trong đất có thể làm tăng thêm hệ số dẫn nhiệt của đất
Nước và không khí trong đất là hai thành phần có tính chất đối kháng. Sự có
mặt của nước và không khí trong đất nhiều hay ít đã ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt của
đất. Chính vì vậy ở những loại đất có ẩm độ cao chế độ nhiệt ôn hoà hơn, ổn định hơn,
30
biên độ nhiệt độ ngày đêm nhỏ, ngược lại đối với đất khô chế độ nhiệt ngày đêm biến
động lớn, biên độ nhiệt độ ngày đêm cao.
- Độ xốp: đất càng xốp hệ số dẫn nhiệt càng kém. Kích thước của hạt đất càng
lớn thì hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ.
- Bốc hơi: hệ số dẫn nhiệt trong đất còn phụ thuộc nhiều vào sự bốc hơi.
c. Hệ số truyền nhiệt của đất (k):
Tốc độ truyền nhiệt độ trong lớp đất trồng trọt và đặc biệt ở tầng canh tác có ý
nghĩa lớn trong kỹ thuật trồng trọt. Khi thực hiện các biện pháp canh tác thường dựa
trên sự phân bố nhiệt độ ở các lớp đất khác nhau. Để giải quyết vấn đề này người ta
dùng một khái niệm gọi là hệ số truyền nhiệt độ của đất.
Hệ số truyền nhiệt độ của đất là tỷ số giữa hệ số dẫn nhiệt (λ) và nhiệt dung thể
tích (Cv) của chúng.
1
.
Cvk
(cm2/s)
Hệ số truyền nhiệt độ của đất phụ thuộc vào độ ẩm và tỷ khối của đất. Kết quả
nghiên cứu của A.I.Gupalo cho thấy tỷ khối của đất càng cao thì hệ số truyền nhiệt của
đất càng lớn. Hệ số truyền nhiệt độ của đất đạt giá trị lớn nhất khi ẩm độ đất khoảng 18
– 20 %.
Hệ số truyền nhiệt độ của nước và không khí nhỏ hơn so với phần rắn trong đất
cho nên đất ẩm và đất xốp truyền nhiệt xuống sâu và mất nhiệt trong không khí chậm
hơn so với đất khô và cứng.
2. Cân bằng nhiệt của mặt đất.
2.1. Cơ chế nhiệt của đất.
Ban ngày, mặt đất nóng lên chủ yếu là nhờ nguồn năng lượng của bức xạ mặt
trời. Mặt đất hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và chuyển thành nhiệt năng làm cho mặt
đất nóng lên. Vào những giờ có mặt trời, mặt đất được đốt nóng và nhiệt của bề mặt đất
nhận được lại truyền cho những lớp không khí tiếp giáp và cho những lớp đất sâu hơn.
Vào ban đêm và những ngày mùa đông lạnh, mặt đất bị nguội đi do phát xạ. Sự nguội
lạnh này cũng làm cho lớp không khí kế tiếp và những lớp đất dưới lạnh đi.
Mặt trực tiếp nhận và phát nhiệt người ta gọi là mặt hoạt động. Bề mặt hoạt
động có thể là rừng cây, mặt nước, đá, cát,… cho nên tính chất nhiệt của chúng rất
khác nhau. Vì vậy, quá trình nóng lên, nguội đi và truyền nhiệt vào sâu trong đất của
các bề mặt này cũng rất khác nhau, dẫn đến có biến thiên nhiệt độ ngày đêm và năm.
Như vậy, quá trình nóng lên của mặt đất là do sự nhận năng lượng và quá trình
lạnh đi của chúng là do sự mất năng lượng của lớp bề mặt đất. Hai quá trình này xảy ra
liên tục suốt ngày đêm, tạo nên một cân bằng động. Mặt đất chỉ nóng lên khi phần năng
lượng nhận được lớn hơn phần năng lượng mất đi. Ngược lại khi phần năng lượng mất
đi chiếm ưu thế thì mặt đất bị lạnh đi.
31
2.2. Cân bằng nhiệt của bề mặt đất.
Sự nóng lên hay lạnh đi của đất là kết quả của sự cân bằng động nhiệt độ đất và
được quyết định bởi cân bằng năng lượng bức xạ trên mặt đất.
Cân bằng nhiệt của mặt đất là hiệu số giữa phần năng lượng nhận được và phần
năng lượng mất đi của mặt đất. Nếu cân bằng nhiệt có giá trị dương thì mặt đất nóng
lên, cân bằng nhiệt bằng 0 thì nhiệt độ mặt đất không đổi, cân bằng nhiệt là một số âm
thì mặt đất sẽ bị lạnh đi.
a. Sự cân bằng nhiệt của mặt đất vào ban ngày:
Vào ban ngày bề mặt đất nhận được những nguồn nhiệt từ:
- Tổng xạ gồm trực xạ và tán xạ ( Q= S’+D ).
- Luồng phát xạ sóng dài của khí quyển (Ek q).
Đồng thời mất đi những nguồn nhiệt:
- Do phản xạ sóng ngắn (Rn)
- Do phát xạ sóng dài của bề mặt đất (Eđ)
- Do dòng thăng đi lên (V)
- Do lượng nhiệt truyền sâu vào lòng đất (P)
- Do quá trình bốc hơi (LE).
Vì vậy phương trình cân bằng nhiệt của mặt đất vào những ban ngày có dạng:
LEVPEADSB
LEVPEERDS
hd
kqdn
)1)('(
'
1
1
B
Ba lượng nhiệt P, V, LE mất đi không đáng kể so với năng lượng bức xạ mặt
trời mà mặt đất nhận được. Vì vậy, cân bằng nhiệt của bề mặt đất vào ban ngày luôn có
giá trị dương. Trừ những vùng cực vào mùa đông không có trực xạ thì cân bằng nhiệt
độ của bề mặt đất vào ban ngày mang giá trị âm.
b. Cân bằng nhiệt của bề mặt đất vào ban đêm:
Vào ban đêm không có bức xạ mặt trời nên không có trực xạ (S’) và tán xạ (D).
Mặt đất nhận được các nguồn nhiệt:
- Do phát xạ sóng dài của bề mặt đất (Eđ)
- Do dòng giáng đi xuống (V)
- Do lượng nhiệt truyền ra từ lòng đất (P)
- Do sự ngưng kết hơi nước (LE).
Mặt đất mất đi các nguồn nhiệt:
- Tổng xạ