Основным источником тепла в почве и околоземном воздухе является солнечная радиация. По сравнению с ней другие источники (экзотермические химические реакции, разложение или сжигание органического вещества, распад радиоактивных веществ и др.) дают ничтожную величину энергии. Большинство биологических систем существует в определенном очень узком диапазоне температур (температура как показатель теплового состояния окружающей среды). При слишком низких температурах биологические процессы в растениях замедляются, а слишком высокие температуры приводят к разрушению сложных белковых структур.
Нижний предел биологической активности определяется температурой замерзания воды, а верхний — температурой денатурации белка. Таким образом, этот предел можно обозначить от 0 до 50 °С.
Для каждого вида растений характерны определенные отношения к температуре в различные фазы развития, при этом у всех растений прослеживается общая закономерность: более низкие температуры требуются при прорастании семян и более высокие — во время образования плодов.
В период покоя сухие семена растений могут переносить как низкие температуры (—50°С и ниже), так и высокие ( + 50°С и выше), но во время вегатации даже слабые заморозки губительны для многих культур (кукурузы, картофеля, огурцов, томатов, гречихи и др.). Для различных культур минимальные и оптимальные температуры прорастания семян различны.
Для риса, хлопчатника, кунжута и арахиса минимальная тем-пература прорастания семян составляет 12—14 °С, а оптимальная— 37—45 °С. Как видно, температура прорастания семян теплолюбивых культур (кукуруза, подсолнечник, рис, хлопчатник) более высокая, чем других. Вместе с тем для всех культур интервал между минимальными и оптимальными значениями температур прорастания семян значительно выше и достигает 25—30°, чем между оптимальными и максимальными значениями, интервал между которыми составляет всего 5—10°. Следовательно, сразу же после оптимума начинает сказываться отрицательное действие высоких температур. Зависимость скорости роста растений (под ростом понимается процесс новообразований элементов структуры организма — органов, клеток и других структур) от температуры, так же как и активность ферментов, подчиняется правилу Вант-Гоффа: при увеличении температуры на 10° в зоне оптимальных значений скорость роста увеличивается в 2—3 раза. Температурный оптимум для роста может не совпадать с температурным оптимумом для других физиологических процессов. Например, оптимальные температуры для роста растений более высоки, чем оптимальные температуры для протекания процессов фотосинтеза. При температурах 40—50 °С скорость фотосинтеза сильно снижается, а скорость дыхания еще значительна. В связи с тем что различные процессы имеют разные температурные оптимумы, например дыхание более высокий, чем фотосинтез, то температурный оптимум для роста растений обычно находится в диапазоне температур, где лучше всего скоординированы скорости метаболических процессов, принимающих участие в росте. Источником энергии для ростовых процессов являются фотосинтез и дыхание.
Для роста и развития растений имеют значение и колебания температур. Температура, колеблющаяся от 10 до 20 °С (при средней температуре 15°С), не обязательно действует на растения так же, как постоянная температура 15 °С. Нормальная жизнедеятельность растений, которые в природе обычно подвергаются воздействию переменных температур (что имеет место в большинстве районов с умеренным климатом), подавляется частично или полностью или замедляется при воздействии постоянной температуры. Оптимальные значения температуры для растений различны и в течение суток. Так, для растений томата оптимальная температура для роста и развития днем составляет 26 °С, а ночью—17—19 °С. Некоторое понижение ночных температур по сравнению с дневными приводит к ускорению процессов цветения и плодоношения у ряда культур, к повышению урожайности картофеля, содержания сахара в корнях сахарной свеклы. Все это объясняется тем, что в онтогенезе растений закреплена та смена температур, которая отмечается в природе.
Одним из главных условий, определяющих географию размещения культур, является теплообеспеченность данной территории, колебания температуры, соответствие продолжительности теплого, безморозного периода и длины вегетационного периода требованиям возделываемых культур. Крупнейший русский климатолог А. И. Воейков в результате длительных климатических исследований, проведенных во второй половине XIX столетия, пришел к заключению о возможности возделывания хлопчатника в Средней Азии и чая в Закавказье. В настоящее время эти культуры стали ведущими в данных регионах.
Теплообеспеченность данного места определяет потенциальные возможности накопления органического вещества и хозяйственно полезной его части. Теплообеспеченность выражается обычно как показатель суммы активных температур выше 10 °С.
Этот показатель сочетает в себе продолжительность вегетационного периода и среднюю его температуру. Потребность различных сельскохозяйственных культур в теплообеспеченности различна.
Зависимость продуктивности растений от теплообеспеченности для большинства культур характеризуется прямой. Чем выше теплообеспеченность, тем больше и урожай растений. Так, для озимой пшеницы достаточна сумма активных температур за теплый период 1700°, а рост урожая происходит и в местах, где темпера-тура превышает необходимую почти вдвое — 3200°. Это объясняется тем, что суммы активных температур отражают в себе и продолжительность периода вегетации. Вместе с тем для ряда культур такой зависимости между ростом урожайности и теплообеспеченостью не отмечается. Для картофеля уменьшение урожайности связано с торможением клубнеобразования при повышении теплообеспеченности. Не отмечается существенной связи изменения урожайности с теплообеспеченностью для яровой пшеницы. Такая связь затушевывается при поражении яровой пшеницы грибными болезнями как в условиях увлажнения, так и засушливости климата в южных районах.
Теплообеспеченность растений лежит в основе природно-сельскохозяйственного районирования территории СССР. В структуре такого районирования выделены 3 пояса: холодный тундрово-таежный, умеренный и теплый субтропический. В пределах каждого пояса в свою очередь выделяются два подпояса. В холодном тундрово-таежном природно-сельскохозяйственном поясе это очень холодный тундровый подпояс, где сумма активных температур выше 10°С менее 400—500° и земледелие возможно лишь в защищенном и полузащищенном грунте, и холодный северо — и среднетаежный подпояс очагового и выборочного земледелия (выше 10° составляет 500—1600°).
Умеренный природно-сельскохозяйственный пояс — пояс интенсивного земледелия культур с умеренным требованием к теплу. Охватывает территорию с суммой активных температур выше 10 °С от 1600 (1400° для районов, лежащих восточнее Енисея) до 4000°. В нем выделяются подпояса холодно-умеренный, преимущественно южнотаежный с возделыванием ранних и среднеранних культур умеренного пояса; и умеренный, преимущественно лесостепной,, степной, полупустынный и пустынный.
Теплый (субтропический) природно-сельскохозяйственный пояс — это пояс орошаемого и богарного субтропического земледелия теплолюбивых культур с длинным вегетационным периодом. Он охватывает территорию с суммой активных температур более 4000° и территории с температурами выше 3400° с приморским климатом с теплой зимой. Здесь выделяются два подпояса. Умеренно теплый с мягкой зимой, преимущественно пустынный и полупустынный, с возделыванием однолетних теплолюбивых культур с длинным вегетационным периодом, где температура наиболее холодного месяца бывает ниже 0°С; и теплый, с очень мягкой и теплой зимой, преимущественно пустынный и частично влажно субтропический (Закавказье), с возделыванием субтропических культур и культур умеренного пояса в холодное полугодие, средняя температура наиболее холодного месяца выше 0°С. В пределах поясов и подпоясов также выделяются полосы теплообеспеченности культур, детализирующие возможности возделывания сельско-хозяйственных растений в определенных интервалах сумм активных температур выше 10 °С.
В сходных условиях увлажнения с повышением теплообеспеченности повышается активность почвенных микроорганизмов, происходит ускоренное разложение органического вещества, образование доступных для растений форм питательных элементов, что также обусловливает рост урожайности культур. Тепловой режим почвы тесно взаимосвязан с водным и воздушным режимами и оказывает существенное влияние на питательный режим растений.
Величина и скорость поступления в почву тепла в значительной степени определяются свойствами самой почвы, ее лучеиспускательной и отражательной способностью, теплоемкостью, теплопроводностью, температуропроводностью. Расход тепла из почвы слагается из отражения коротких волн и земного лучеиспускания, передачи теплоты из верхнего слоя в нижележащие горизонты^ расхода на испарение, на нагревание прилегающих слоев атмосферного воздуха, на турбулентное перемешивание и перенос теплоты. Тепловой режим почвы имеет суточную и годичную ритмичность изменчивости. Наибольшие колебания температуры почвы в течение суток и года происходят в верхнем слое. Суточные изменения температуры почвы могут распространяться на глубину 70— 100 см, а годовые колебания достигать более глубоких слоев.