Формирование теплового режима почв хвойных экосистем бореальной зоны в зависимости от лесообразующей породы и типа леса Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 630*116.13:582.475(1 -924.82)(470.13)

ФОРМИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОЧВ ХВОЙНЫХ ЭКОСИСТЕМ БОРЕАЛЬНОЙ ЗОНЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЛЕСООБРАЗУЮЩЕЙ ПОРОДЫ И ТИПА ЛЕСА

Э.П. ГАЛЕНКО

Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар salenko@ib.komisc.ru

Рассматривается термический режим почвы пяти хвойных сообществ подзоны средней тайги. Определен характер экстремальных температур поверхности почвы в зависимости от типа леса. Установлены суммы температур почвы за летний сезон на разной глубине. В рассматриваемых лесных экосистемах в сезонной динамике выявлены особенности и различия накопления тепла в почве.

Ключевые слова: тайга, хвойные фитоценозы, температурный режим почвы

E.P. GALENKO. THERMAL REGIME FORMATION OF SOILS IN CONIFEROUS ECOSYSTEMS OF BOREAL ZONE IN REFERENCE TO DOMINATING TREE SPECIES AND FOREST TYPE

The paper deals with thermal regime of soils in five coniferous communities of middle taiga subzone. Extremely high or low soil surface temperatures were measured depending on forest type. The sums of soil temperatures for the summer period at different depths were estimated. Particularities and variations in heat accumulation by soils in the studied forest ecosystems in seasonal dynamics were identified.

Key words: taiga, coniferous phytocenoses, soil temperature regime

Почвенное тепло зависит от поступающей солнечной радиации и температуры воздуха, а механизм передачи тепла в системе «атмосфера ^ поверхность почвы ^ почвенный профиль по вертикали» испытывает значительные колебания. В одних и тех же климатических условиях термический режим почвы обуславливается типом почвы, ее механическим составом и физическими свойствами. Существенное влияние на температурный режим оказывает и лесной полог, так как он ограничивает поступление солнечной энергии, изменяет излучение подстилающей поверхности, нивелирует температурный режим приземного воздуха, дольше сохраняет снеговой покров в лесу. Особенности состава и строения древесного яруса, подлеска, напочвенного покрова также вызывают различия в прогревании почвы [1- 4].

Тепловые ресурсы почвы активно воздействуют на поглощение питательных элементов корнями, ряд физиологических процессов, протекающих в подземных органах растений, деятельность почвенных микроорганизмов [5-8 и др.]. В настоящее время температурный режим лесных почв рассматривается и как одна из важнейших функций углеродного цикла наземных экосистем [9-13].

Цель данной работы - оценить характер и различия тепловых ресурсов почвы сосновых и еловых экосистем подзоны средней европейской тайги в вегетационный период.

Исследования проводились ежедневно с 20 мая по 10 сентября 1983 г. на Чернамском лесном стационаре Института биологии Коми научного центра УрО РАН, расположенном в подзоне средней тайги (62° 00' с.ш., 50° 20' в.д.). Объектами изучения служили пять сосновых и еловых насаждений (пробные площади) на бореальных подзолистых почвах (табл. 1). На каждой пробной площади (ПП) ежедневно измерялись максимальная, минимальная и срочная температуры на поверхности почвы и температура почвы на глубинах 5, 10, 15, 20, 30, 40, 60 и 80 см. Для этих целей использовались: максимальные, минимальные, срочные, Савинова и почвенно-вытяжные термометры. Показания термометров на всех ПП снимались практически одновременно (разница во времени до 30 мин.), что позволило провести корректный анализ полученных данных.

Сезонная динамика экстремальных температур поверхности почвы. Средние (за декаду в мае и сентябре, за месяц в июне, июле, августе) максимальные температуры поверхности почвы на всех исследуемых участках в последней декаде мая в сосняках равны +20..+24 °С, в ельниках и сосново-еловом древостое - +13...+15 °С. К июлю они достигают самых высоких значений в сосняках - +30...+33°С, в ельниках и сосновоеловом насаждении - +23+24 °С, снижаясь постепенно в августе до +22...+24 °С и +17...+19 °С, а в I

Таблица 1

Характеристика объектов исследования (по: [7])

№ Насаждение Состав Возраст, лет Класс Пол- Запас Средние Число Почва

пп. древостоя бонитета нота древесины, м3/га диаметр, см высота, м стволов, шт/га

2.

3.

5.

Сосняк черничный влажный (ПП 1)

Ельник черничный свежий (ПП 2)

Сосновоеловый черничный (ПП 3)

Сосняк

чернично-

сфагновый

(ПП-4)

Ельник

долгомошно-

сфагновый

(ПП-5)

9С1Б

60

0.82

8Е2Б + С

8С2Б + Е (I яр.) 6Е2С2Б (II яр.)

10С + Б ед.Е

7Е2Б1С

80-200

50-90

IV

IV

70

70-180

0.86

0.95

0.56

0.78

35

30

25

20

15

10

5

0

12

10

8

6

4

2

0

-2

II дек.мая Июнь

Июль Август I

дек.сент.

II дек.мая Июнь Июль Август I

дек.сент.

I Сосн. черн.вл. 0 Епьн.черн.св.

I Сосн.черн.сф. □ Епьн.долг.сф.

□ Сосн.-елов.черн.

Рис. 1. Сезонная динамика средних максимальных (а) и минимальных (б) температур поверхности почвы.

205

12

16

1730

267

235

109

170

17

16

8

10

15

15

15

9

11

14

2323

3070

2040

1858

торфянисто-под-золисто-глеева-тая иллювиально-гумусовая, подзол песчаный на суглинках

торфянисто-под-золисто-глеева-тая, иллювиально-гумусово железистая на суглинках

тофянисто-под-золисто-глееватая иллювиально-гумусово-железистая, на суглинках

торфянисто-под-золисто-глееватая, гумусовая песчаная на суглинках

торфянисто-подзо-листо-глееватая, иллювиально-гумусовая , песчаная

С и +11 ...+12°С

декаде сентября - до +15...+18 соответственно (рис. 1а).

Наибольшая сумма максимальных температур поверхности почвы отмечена в сосняке чернично-сфагновом, затем по степени уменьшения суммы температур следуют сосняк черничный влажный ^ ельник долгомошно-сфагновый ^ ельник черничный свежий ^ сосново-еловое насаждение черничного типа. Последние три насаждения по этому показателю отличаются незначительно.

Разность между максимальными температурами поверхности почвы сосновых и еловых древо-стоев наибольшая в мае (8-9 °С), в июне-июле различия снижаются до 6-8 °С, а в августе-сентябре -до 4-5 °С. Абсолютный максимум температуры поверхности почвы наблюдается в июле и достигает в сосняках +43...+48 °С, в ельниках и сосново-еловом древостое он значительно ниже и равен +30. +32 °С (табл. 2).

Анализируя изменения средних минимальных температур поверхности почвы в течение сезона, следует отметить, что для действия низких температур наиболее уязвима поверхность почвы сосняка чернично-влажного, меньше - поверхность почвы сосняка чернично-сфагнового и ельников, и менее всего подвержен действию низких температур сосново-еловый древостой (рис. 1б).

В среднем минимальные температуры поверхности почвы в последнюю декаду мая составляют от -0,4°С в сосняке черничном влажном до +1,6°С в сосново-еловом древостое. В июне температурный минимум повышается до +6+8 °С, в июле -до +10+12 °С. В августе минимальные температуры поверхности почвы снижаются на 4-6 °С, а в нача-

1.

4

V

V

ле сентября держатся в интервале -2,0°. +1,2°С. В течение вегетационного периода только в июле на поверхности почвы не наблюдались отрицательные температуры. Абсолютный температурный минимум на почве сосняка чернично-влажного составлял в конце мая -7,7 °С, в июне —1,7°, августе - -3,5°, в I декаде сентября - -4,7 °С. В остальных фитоценозах самые низкие температуры на поверхности почвы были в пределах -1,1°. -5,5 °С (табл. 2).

в почве сосняка в начале июня, в ельнике он запаздывает на 10-15 дней. В северной тайге изотермы +8°.+10 °С на глубину 20-40 см опускаются в сосняке в конце июня-начале июля, а в ельнике на этой глубине температура почвы не превышает +6°...+7 °С.

Мощность зоны с активными температурами в средней тайге достигает в сосняках постоянно глубины 70-80 см и более, а в ельниках - до 45 (редко до 80) см. В северной подзоне тайги этот

Таблица 2

Абсолютные температурные экстремумы (°С) на поверхности почвы хвойных экосистем

пп.1 пп.2 пп.3 пп.4 пп.5

Период Сосняк черн.влажн. Ельник черн.свеж. Сосново-еловый черн. Сосняк черн.сфагн. Ельник долг.сфагн.

тах | тіп тах | тіп тах | тіп тах | тіп тах | тіп

III дек. мая 25,1 -7,7 20,5 -4,2 19,6 -3,1 31,6 -5,5 22,3 -4,3

Июнь 40,7 -1,7 37,6 -0,8 29,1 -0,4 38,9 -2,0 33,5 -1,0

Июль 48,0 1,9 31,9 3,0 31,5 3,5 43,4 3,5 29,9 2,0

Август 36,1 -3,5 23,0 -2,0 24,5 -0,7 34,5 0,0 25,7 -1,3

I дек. сентября 20,5 -4,7 12,9 -1,1 14,5 -1,5 16,7 -2,5 13,3 -1,5

Сезонная динамика прогрева почвы в слое 20-40 см

Таблица 3

Этап жизнедеятельности корневых систем древесных растений Подзона северной тайги Подзона средней тайги

.Температура, °С Сосняк чернично-зеленомошный Ельник чернично-зеленомошный Сосняк черничный влажный Ельник черничный свежий

0 Оттаивание М! декада июня И-Ш декада июня ^И декада мая И-Ш декада мая

5 + 4 + Начало ростовых процессов И-Ш декада июня И-Ш декада июля III декада мая I декада июня

> + 8... +10 Интенсивный рост III декада июня-I декада июля не наблюдалась I декада июня И-Ш декада июня

Динамика температур по вертикальному почвенному профилю. При движении с севера на юг увеличивается мощность слоя почвы, подверженного суточным колебаниям температуры. Как показали наши исследования, проведенные в средней, а ранее и в северной тайге [5], суточная амплитуда затухания колебания температуры почвы наблюдается на глубине 20 см в северной и 30-40 см - в средней тайге. Именно в этих горизонтах почвы сконцентрирована основная масса корневых систем древесных растений [7].

На глубине 20-40 см весенняя нулевая изотерма может удерживаться в северной тайге до 11-111 декады июня, в то время как в средней тайге - под ельником до конца мая, а под сосняком в это время почва уже прогрета до +3°...+4 °С (табл. 3). Почвы в сосняках средней тайги полностью оттаивают в III , а в ельниках - 11-111 декадах мая. В северной тайге - соответственно на месяц позже. Благоприятная температура для начала роста корней древесных растений в слое почвы 0-20 см наступает в среднетаежном сосняке в конце мая, ельнике - в начале июня. В северной тайге такие условия наблюдаются аналогично во второй половине июня и июля. С прогревом почвы до +8°+10 °С (активные температуры) начинается интенсивный рост и жизнедеятельность древесных корней. Период активных температур, как правило, начинается в средней тайге

показатель колеблется в пределах 40-60 см в сосняке и 5-10 (редко до 30-40) см - в ельнике.

Передача тепла в глубь почвы в течение сезона. Средние температуры поверхности почвы в последней декаде мая равны в сосняках +12°. +16 °С, в ельниках и сосново-еловом древостое -+9°.+10 °С. В июне поверхность почвы прогревается соответственно до +18°...+21 °С и +15°...+16 °С. В июле они достигают наибольших значений, поднимаясь еще на 2-3 градуса. В августе поверхность почвы начинает охлаждаться. Средние температуры независимо от видового состава и типа насаждения выравниваются и составляют +13°.+16°С в августе и +7°.+8°С в первой декаде сентября (рис.2 а).

На глубине 5-20 см (рис. 2 б, в) почва прогревается в последнюю декаду мая в сосняках до +5 °С, сосново-еловом древостое - +4°С, ельниках -+3,0°...+3,5 °С. В июне-июле тепловые ресурсы почв увеличиваются ежемесячно еще на 3-5 градусов, температура достигает в июне от +6°.+7 °С в ельниках до +8°.+9 °С в сосняках, а в июле соответственно - от +9°...+10 °С до +12°...+13 °С. В августе почва этого горизонта остывает на 1-2 градуса, приближаясь по этому показателю к тепловым условиям июня. В сентябре охлаждение верхнего горизонта почвы идет более быстрыми темпами. За первую декаду температура почвы по срав-

Температура, °С

—♦—пп. 1 С черн.вл. —пп.4 С черн.сф. —А— пп.3 СЕ черн.

—х— пп.2 Е черн.св —ж— пп.5 Е долг.сф.

Рис.2. Сезонная динамика температуры почвы на разной глубине: а - поверхность почвы; б, в, г - на глубинах 5, 20, 60 см.

нению с августом снижается на 2-3,5 градуса, причем медленнее остывают почвы ельников. В результате происходит сглаживание температурных различий между сосняками и ельниками. Температура почвы на этих глубинах в этот период составляет +7,0°...+8,5 °С.

На глубине 60 см (рис.2 г) температура почвы в сосняках и сосново-еловом древостое в конце мая около +4 °С, в ельниках - +2,5°.+3,0 °С. В июне почва этого горизонта прогрета до +5,0°.+7,0 °С, оставаясь наиболее холодной в ельниках. В июле идет дальнейший прогрев почвы до +9,0°. +11,0 °С. Интенсивнее прогревается почва сосновоелового древостоя (на 4 °С), на один градус меньше - почвы сосняков и ельников. Видимо, в сосново-еловом насаждении играет роль двухъярусность древесного полога, в результате чего в ночные часы поверхность почвы охлаждается в меньшей степени. В августе почва на этой глубине сохраняет тепло июля, а в первой декаде сентября температура снижается на 1,0°-1,5 °С и равна +8,0.+9,0 °С.

Следовательно, на протяжении наблюдаемого периода в рассматриваемых типах леса почва наиболее холодная в мае (+2,5°...+5,0 °С). В июне и I декаде сентября тепловые ресурсы верхнего слоя почвы (5-20 см) равноценны и находятся в пределах +6,0°...+8,0 °С. Более глубокий же слой почвы в начале сентября даже теплее, чем в июне на 2,0°-2,5°С. Самая теплая почва в июле (+9,0°...+12,0 °С). В августе она холоднее на 1°С только в верхнем горизонте.

Накопление тепла в почве в течение летнего сезона. Почва как резервуар тепла.

Определены суммы температур почвы за период с 19 мая по 9 сентября по вертикальному профилю от поверхности почвы до глубины 80 см (табл. 4, рис. 3). Величина поступающей к поверхности почвы солнечной радиации зависит от структуры и полноты древостоя, поэтому наибольшее количество тепла проникает на поверхность почвы в черничносфагновом сосняке, полнота древостоя которого 0,56, наименьшее - в двухъярусном сосново-еловом древостое с полнотой 0,95. В остальных рассматриваемых фитоценозах с полнотами 0.78^-0.86 суммы температур на поверхности почвы составляют в еловых сообществах 70%, в сосняке черничном влажном - 90% от максимальной аналогичной величины в сосняке чернично-сфагновом.

Дальнейшее проникновение тепла в глубину почвы резко сокращается на 32-45% в самом верхнем 5-сантиметровом слое, так как тепло в почве поступает от слоя к слою только в результате молекулярной передачи без турбулентной составляющей. Значительную роль в прогреве почвы начинают играть масса напочвенного покрова, структура и влажность почвы. Так, максимальное уменьшение (45%) тепловых ресурсов на глубине 5 см происходит в сосняке чернично-сфагновом, масса напочвенного покрова которого, по данным К.С.Боб-ковой [7], равна 4,4 т/га абс. сух. в., а мощность подстилки составляет 17см. В сосново-еловом насаж-

Таблица 4

Суммы температур почвы по вертикальному профилю, °С ( с 19 мая по 9 сентября )

Древостой № ПП Глубина, см

0с„ max 0см min 1 0 5 10 1 15 1 20 30 40 60 80

С черн.вл. 1 1871.7 361.8 1195.4 757.3 765.2 760.3 752.8 748.2 721.4 678.1 645.8

С черн.сф. 4 2077.9 458.5 1387.6 762.8 734.4 729.9 721.1 691.9 676.4 625.5 594.1

СЕ черн. 3 1401.4 522.0 1093.2 740.5 711.0 709.8 703.1 726.5 709.0 684.0 639.5

Е черн.св. 2 1444.6 478.9 1114.1 648.1 622.0 641.9 639.3 645.6 601.5 590.5 556.8

Е долг.сф. 5 1485.5 462.5 1120.3 623.9 565.6 557.9 581.0 563.0 554.5 524.9 463.6

Сумма температур, °С

Рис. 3. Суммы температур почвы по вертикальному профилю в сосновых и еловых сообществах (19 мая -9 сентября ).

1 - сосняк черничный влажный; 4 - сосняк чернично-сфагновый; 3 - сосново-еловый древостой черничный; 2 - ельник черничный свежий; 5 -ельник долгомошно-сфагновый.

дении с самой маленькой массой растений нижних ярусов, равной 0,9 т/га абс. сух. в. и подстилкой высотой 9-11 см этот показатель составляет 32%. Дальше с глубиной в слое почвы от 5 до 80 см тепло убывает постепенно, около 1-2% на каждые 10 см глубины.

С глубины 5 см начинается четкая дифференциация тепловых ресурсов между еловыми и сосновыми сообществами в пользу последних на 100^130°С. Самой холодной по всему профилю является почва ельника долгомошно-сфагнового, а наиболее теплой - почва сосняка черничного влажного.

Выводы

1. Различия в проникновении тепла под полог древостоя в лесных фитоценозах обусловлены полнотой и структурой древесного яруса насаждений. В результате разница в поступлении тепла на поверхность почвы в рассматриваемых лесных сообществах составляет 15-20%.

2. С исчезновением турбулентной составляющей в механизме передачи тепла в почве и наличием только молекулярного способа передачи про-

исходит резкое уменьшение (на 30-45%) тепловых ресурсов поверхностного слоя (0-5 см) почвы, в слое почвы от 5 до 80 см тепло убывает постепенно, около 1-2% на каждые 10 см глубины.

3. Увеличение массы напочвенного покрова (в пять раз) и мощности подстилки (в два раза) ведет к снижению тепловых ресурсов верхнего 5-сантиметрового слоя дополнительно до 13 %.

4. По степени убывания запасов тепла в почве рассматриваемые экосистемы можно представить в виде ряда:

С черн..вл.. * .С черн.сф. * СЕ черн.. * Е черн.св * Е долг.сф.

Причем каждое следующее насаждение недобирает 3-6% тепла по сравнению с предыдущим.

5. Оттаивание и начало роста корневых систем в ельниках по сравнению с сосняками и сосново-еловым древостоем запаздывает на 10, а активный рост - на 10-15 дней. В результате период активного роста корневых систем древесных растений по температурным условиям почвы возможен в сосняках и сосново-еловом древостое до 85-90, в ельниках - 70-75 дней.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 10-04-00067-а, 13-04-00548.

Литература

1. Сапожникова СА Микроклимат и местный климат. Л., 1950. 242 с.

2. Китредж Дж. Влияние леса на климат, почвы и водный режим /Пер. с англ. М., 1951. 456 с.

3. Молчанов АА Лес и климат. М.,1961. 247 с.

4. Шульгин А.М. Климат почвы и его регулирование. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 341 с.

5. Галенко Э.П. Фитоклимат и энергетические

факторы продуктивности хвойного леса европейского Севера. Л.: Наука, 1983. 129 с.

6. Кононенко А.В. Гидротермический режим таежных и притундровых почв европейского Северо-Востока. Л.: Наука, 1986. 144 с.

7. Бобкова К.С. Биологическая продуктивность хвойных лесов европейского Северо-Востока. Л.: Наука, 1987. 156 с.

8. Забоева И.В., Бобкова К.С. Лесорастительные условия функционирования хвойных экосистем Севера // Лесное почвоведение: итоги, проблемы, перспективы: Тез. докл. Межд. науч. конф. Сыктывкар, 2007. С.4.

9. Кузнецов МА Сезонная динамика эмиссии СО2 с поверхности торфянисто-подзолисто-глееватой почвы заболоченного ельника средней тайги // Резервуары и потоки углерода в

лесных и болотных экосистемах бореальной зоны: Тез. докл. Межд. науч. конф. Сыктывкар, 2011. С. 67-68.

10. Осипов А.Ф. Динамика содержания органического углерода в заболоченных сосняках средней тайги: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. биол. наук. Сыктывкар, 2011. 18 с.

11. Осипов А.Ф. Поток углекислого газа с поверхности болотно-подзолистой почвы сосняка средней тайги // Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бо-реальной зоны: Тез. докл. Межд. науч. конф. Сыктывкар, 2011. С. 94-95.

12. Тужилкина В.В., Галенко Э.П. Экологические основы углеродного цикла ели в условиях Севера // Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны: Тез. докл. Межд. науч. конф. Сыктывкар, 2011. С. 110-111.

13. Тужилкина В.В., Галенко Э.П. Фотосинтети-ческая активность хвойных в связи с экологическими факторами в условиях Севера // Многолетние процессы в природных комплексах заповедников России: Матер. Все-росс. науч. конф., посвященной 80-летию ЦЛГПБЗ. В.Луки, 2012. С. 63-66.

Статья поступила в редакцию 21.03.2012.