Амплитуда суточного хода температуры торфяной почвы Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

№ 365

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Декабрь

2012

БИОЛОГИЯ

УДК 550.361+551.525

ЕА. Дюкарев

АМПЛИТУДА СУТОЧНОГО ХОДА ТЕМПЕРАТУРЫ ТОРФЯНОЙ ПОЧВЫ

Приводятся результаты мониторинга температуры торфяной почвы болота, расположенного в зоне южной тайги Западной Сибири. Проведен анализ амплитуды суточного хода температуры почвы на разных глубинах в теплое время года и времени наступления максимумов и минимумов температуры в суточном ходе. По затуханию амплитуды суточного хода температуры с глубиной рассчитан эффективный коэффициент температуропроводности почвы.

Ключевые слова: температура почвы; амплитуда суточного хода; торфяная почва; болотные экосистемы; температуропроводность почвы.

Температура почвы и амплитуда ее суточного хода являются важными показателями, воздействующими на процессы, протекающие в почве [1-3]. Температура является результирующей характеристикой интенсивности энергетических процессов, таких как перераспределение приходящей солнечной радиации, транспирации и конденсации влаги и потока тепла в почву. Характер распределения температуры в верхнем слое почвы очень важен для жизни растений и почвенной фауны. Наибольшие колебания температуры и влажности наблюдаются именно в поверхностном - корнеобитаемом слое [4, 5], где плотность почвенных бактерий и грибов максимальна. Изучение теплового режима почв возможно при организации специальных наблюдений с использованием автоматических измерителей, что дает возможность получать ряды температуры с высоким временным разрешением за длительный срок в естественных условиях [6-8].

Температурный режим торфяных почв существенно отличается от температурного режима минеральных почв [3, 5, 9, 11]. Торфяная почва имеет сглаженную динамику температуры, по сравнению с минеральной. По среднемесячным данным, в теплое время года верхние слои торфяной почвы холоднее минеральной, а в холодное время - теплее. Повышенная тепловая инерция торфяной почвы препятствует как ее нагреву, так и охлаждению. Глубина промерзания на болоте почти в три раза меньше, чем на суходоле [3, 8, 11].

В настоящей работе представлены результаты инструментальных исследований температурного режима торфяной почвы болота, расположенного в зоне Южной Тайги Западной Сибири, по данным автоматических измерений, а также результаты определения коэффициента эффективной температуропроводности почвы по затуханию естественных температурных волн в почве.

Объект исследования

Исследование температурного режима торфяной почвы проводилось в олиготрофном сосново-кустарничково-сфагновом биогеоценозе (низком ряме), на территории стационара «Васюганье» (ИМКЭС СО РАН) в пределах Бакчарского района Томской области [10, 12]. Микрорельеф низкого ряма представлен высокими (до 30-50 см) плоскими сфагновыми подушками,

занимающими около 70% поверхности, и узкими понижениями шириной до 2 м. Растительность низкого ряма относится к сосново-кустарничково-сфагновой ассоциации с низкой сосной [12].

Торфяная залежь низкого ряма в месте расположения датчиков температуры достигает мощности 2 м и имеет верховой топяной вид строения. Влажность верхнего метрового слоя торфа варьирует в диапазоне 93-96%, глубже влажность составляет 85-90%. Зольность, как и плотность, увеличивается с глубиной. Плотность верхних слоев мохового очеса очень мала (0,017-0,04 г/см3) - почти в 100 раз ниже, чем плотность минеральных почв [6]. Низкая плотность, высокая влажность и близкое к поверхности расположение уровня грунтовых (болотных) вод формируют совершенно особый тепловой режим почвы.

Измерительная аппаратура

Мониторинг температуры почвы выполнялся автономным измерителем температуры, разработанным в ИГМ СО РАН [7, 8]. Датчики температуры находились на восьми глубинах (2, 5, 10, 15, 25, 40, 60 и 80 см). Измерения проводились в течение 1898 дней (или 62 месяцев) с 28 июня 2005 г. по 6 сентября 2010 г. с временным шагом 15 мин в летнее время (май - сентябрь) и 1 ч зимой (октябрь - апрель). Некоторые результаты анализа суточного хода температур почвы на разных глубинах за период 2005-2007 гг. представлены в работе [8]. В работе [11] на основании среднемесячных значений подробно описаны особенности годового хода температуры, а также проведено сравнение температурных режимов торфяной почвы и минеральной почвы на суходоле.

Годовой ход температуры почвы

Результаты наблюдений за температурой почвы показывают существование годового хода температуры на всех исследованных глубинах. Годовой цикл температуры имеет два периода: нагревания, сопровождаемый в начальной стадии оттаиванием мерзлых слоев почвы, и охлаждения, сопровождаемый сезонным промерзанием. Максимальные температуры на всех глубинах в годовом ходе положительны, наблюдаются в июле - сентяб-

ре и формируются под влиянием тепла, поступающего к поверхности, выпадающими осадками и колебаниями уровня болотных вод. Изменение среднемесячных значений температуры воздуха и почвы за 2005-2010 гг. приведено на рис. 1. Максимальная температура самого верхнего слоя (2 см) наблюдалась в июле и изменялась

от 12,7 в 2006 г. до 18,6°С в 2007 г. Наибольшая температура почвы в аэрируемом слое (на глубинах 10, 15 и 25 см) может приходиться как на июль (2007, 2008 гг.), так и на август (2005, 2006, 2009, 2010 гг.). В глубоких слоях максимум температуры в годовом ходе приходится на август - сентябрь.

ю со со N N

о о о о о

о о о о о

СМ см см см см

N ■^1 N N

о о о о О

00 00 05 05 О о

о о О О — —

о о О О О о

см С\1 см СМ см см

ч— N. Т— N т— N

о о о О о О

Рис. 1. Изменение среднемесячных значений температуры воздуха (Тв) и температуры почвы на разных глубинах (2, 5, 10, 15, 25, 40, 60 и 80 см) за 2005-2010 гг. (Для температуры воздуха не показаны зимние температуры, достигающие -32°С)

На формирование минимальных температур почвы в годовом цикле, кроме температуры поверхности, влияют: фазовые переходы при замерзании влаги в торфе, высота снежного покрова и величина тепла, аккумулированного торфяной залежью в течение теплого периода. Остывание верхних слоев начинается уже в августе, а в октябре охватывает верхний метровый слой почвы. В октябре после установления отрицательных температур воздуха начинается замерзание почвы, и в ноябре средняя месячная температура почвы на глубинах 2 и 5 см - отрицательна. Минимальные в годовом ходе среднемесячные температуры на глубинах 2, 5, 10 и 15 см наблюдаются в январе - феврале. Глубина 25 см является предельной глубиной, на которой были отрицательные температуры. Здесь наименьшая температура (-0,47°С) наблюдалась в феврале 2007 г. Минимальная температура почвы на глубине 40 см в зависимости от условий года может наблюдаться с марта (0,04°С - 2007 г.) по май. Она колеблется в диапазоне от 0,0°С (май 2010 г.) до 0,2°С (май 2006 г.). Наименьшие значения температуры на глубинах 60 и 80 см наблюдались в апреле 2007 г. и мае 2010 г. и составили 0,3 и 0,5°С соответственно. Годовая амплитуда температуры в верхнем слое почвы (2 см) составляет 18,8°С. С глубиной годовая амплитуда уменьшается до величины 6-6°С на глубине 80 см.

Амплитуда суточного хода

Известно, что температура почвы в верхних слоях имеет годовой и суточный ход. Суточный ход темпера-

туры, осредненный за достаточно большой промежуток времени, представляет собой периодические колебания с одним максимумом и одним минимумом температуры [1, 3, 8]. Заметные внутрисуточные вариации температуры почвы появляются весной (в конце апреля) после исчезновения снежного покрова и начала прогрева торфяной толщи [8]. На рис. 2 приведены суточные изменения температуры почвы на глубинах 2, 5, 10, 15 и 25 см, осредненные за месяцы теплого периода 2009 г. (апрель - октябрь). Внутрисуточное распределение температуры в другие годы имеет подобный характер и здесь подробно не рассматривается. На глубинах 40, 60 и 80 см суточные колебания отсутствуют в течение всего года. В апреле 2009 г. суточный ход температуры регистрируется в верхних 15 см торфяной залежи. Его амплитуда уменьшается от 2,8°С на глубине 2 см до 0,2°С на глубине 15 см. На глубине 25 см температура стабильна в течение суток и составляет -0,37°С. В мае 2009 г. суточные колебания в диапазоне от -0,2 до -0,02°С наблюдаются на глубине 25 см. В верхнем слое почвы (2 см) амплитуда суточного хода составляет 7,4°С, а на глубине 15 см - 1,1°С. В июне -июле 2009 г. амплитуда суточных вариаций температуры наибольшая в течение года на всех глубинах (рис. 2). Ее значения достигают величин 8,9°С в поверхностном слое (глубина 2 см) и 0-3°С на глубине 25 см. К сентябрю амплитуда температуры снижается до значений 6,1°С в слое 2 см и 0,2°С на глубине 25 см (см. рис. 2).

Представленные на рис. 2 амплитуды суточного хода являются результатом статистического осреднения

значений за все дни месяца одного года из всего периода наблюдений. Амплитуды, наблюдаемые в отдельные дни месяца, варьируют от нулевых значений (в пасмурные и дождливые дни) до максимальных (при ясной безоблачной погоде). Так, наибольшая амплитуда суточного хода за 2007-2010 гг. в верхних слоях почвы (2 и 5 см) была 15 мая 2008 г. и составила 18,8 и 12,9°С соответственно. Максимальные значения ам-

плитуды на глубине 10 см (6,7°С) зафиксированы 16 мая 2008 г. и 30 мая 2009 г. На глубине 15 см наибольшие амплитуды наблюдались в 2007 г., причем значения 3,5-3,6°С были зафиксированы 9 дней за теплый сезон, и первая дата с такой амплитудой пришлась на 12 мая, а последняя - на 30 июля. Максимальная амплитуда в слое 25 см (1,4°С) наблюдалась 17 июля 2007 г.

1----1-----1----1

О 3 б 9 12 15 18 21 24 0 3 б 9 12 15 18 21 24

Рис. 2. Суточный ход температуры почвы на глубинах 2, 5, 10, 15 и 25 см, осредненный за месяцы

Дневной режим температуры в приземном слое воздуха и почвы определяется главным образом количеством поглощаемой подстилающей поверхностью коротковолновой радиации. Ночью в отсутствие коротковолновой радиации в результате непрерывных потерь энергии за счет эффективного длинноволнового излучения деятельной поверхности происходит охлаждение прилегающих слоев воздуха и почвы [2]. Для дальнейшего анализа были отобраны только те дни, в которые суточные колебания температуры наблюдаются в явном виде и имеют «правильный» суточный ход. Данные дни определялись по наличию амплитуды температуры более 2°С на глубине 5 см и с минимумом температуры в ночное время и максимумом - после полудня. Из рассмотрения также были исключены дни с существенными осадками, поскольку инфильтрация воды через рыхлые слои торфа и мохового очеса и по-

следующий подъем уровня болотных вод существенно меняют распределение температуры в почве [8]. Данные дни хорошо определяются по стремительному росту температуры на 0,5-2°С на глубине 40 см в течение нескольких часов.

Число дней с явно выраженным суточным ходом температуры почвы слабо меняется в течение года и с мая по сентябрь составляет 21-23 дня в месяц (табл. 1). В отдельные годы суточные колебания температуры могут наблюдаться и в последние 4-5 дней апреля. Значения амплитуды суточного хода температуры почвы приведены в табл. 1. Особенностью торфяных почв являются высокие температурные колебания в самом верхнем слое почвы. Нижележащие слои торфа пропитаны водой и, как и большие водоемы, аккумулируют тепло, сглаживая температурные колебания. На глубине 25 см суточная амплитуда температуры в сере-

дине лета не превышает 0,5°С. Отсутствие конвектив- тепловой инерции слоев торфяной почвы, находящихся

ных движений воды также способствует повышению ниже уровня воды.

Т а б л и ц а 1

Амплитуда суточного хода температуры почвы в разные месяцы на глубинах 2, 5, 10, 15 и 25 см

Месяц п 2 см 5 см 10 см 15 см 25 см

Май 23 10,24 ± 3,14 6,97 ± 2,24 3,61 ± 1,26 1,61 ± 0,66 0,25 ± 0,14

Июнь 21 10,18 ± 3,11 6,8 ± 2,14 3,92 ± 1,19 2,12 ± 0,6 0,53 ± 0,17

Июль 23 9,71 ± 2,14 6,4 ± 1,49 3,84 ± 0,93 2,05 ± 0,48 0,5 ± 0,16

Август 23 8,52 ± 2,06 5,65 ± 1,39 3,35 ± 0,85 1,82 ± 0,47 0,47 ± 0,16

Сентябрь 22 5,92 ± 1,97 3,96 ± 1,43 2,25 ± 0,88 1,22 ± 0,44 0,36 ± 0,19

Примечание. Среднее (°С) за 2007-2010 гг. ± среднеквадратичное отклонение. п - число дней в месяц с явно выраженным суточным ходом.

Запаздывание тепловой волны

Исследование суточного распределения температуры показало, что максимум температуры почвы на глубине 2 см наблюдается приблизительно в 16 ч местного времени (табл. 2) в мае - июне, а к сентябрю время наступления максимума сдвигается на 16:30. С глубиной максимальная температура в суточном ходе

Минимум температуры поверхности почвы перед восходом солнца является естественным следствием радиационного выхолаживания почвы в ночное время. Моховой покров благодаря малой теплопроводности способствует большому запаздыванию наступления экстремальных температур с увеличением глубины.

В июне - июле минимум температуры почвы в суточном ходе на глубине 2 см наблюдается в 6 ч. На глубине 5 см время запаздывания (относительно минимума температуры на глубине 2 см) составляет 40 мин, на глубине 10 см - 1 ч 30 мин, на глубине 15 см - 2 ч 30 мин и на глубине 25 см - более 5 ч (см. табл. 2).

В мае, августе и сентябре минимум температуры в верхнем 10-сантиметровом слое наблюдается позже, чем в средине лета, на 40-90 мин. В мае наблюдаются минимальные значения (около 3,5 ч) времени запаздывания как минимума, так и максимума на глубине 25 см, вероятно, вследствие иссушения верхнего слоя мохового очеса, располагающегося над мерзлыми слоями.

Максимальная глубина промерзания на болоте составляет 30-40 см и приходится на март. Остаточный мерзлый слой сохраняется в точке наблюдения до июня.

Увлажнение поверхностного слоя мха в летние месяцы увеличивает его тепловую инерцию, и время запаздывания распространения тепловой волны возрастает.

уменьшается, а время ее наступления наблюдается позже.

Так, в июне - июле на глубине 5 см максимум наблюдается в 17 ч, на глубине 10 см - в 18 ч, на глубине 15 см - в 20 ч (см. табл. 2). На глубине 25 см от поверхности максимум температуры выражен слабо и время его наступления запаздывает относительно времени наступления на глубине 2 см более чем на 5 ч.

Определение эффективной температуропроводности

Изменение амплитуды колебаний температуры с известным периодом позволяет определить коэффициент эффективной температуропроводности, который в скрытом виде учитывает передачу тепла не только молекулярной теплопроводностью, но и всеми другими видами теплообмена. Коэффициент температуропроводности характеризует способность среды выравнивать свою температуру, которая определяется не только теплопроводностью среды, но и ее объемной теплоемкостью. Коэффициент температуропроводности является производной теплофизической характеристикой. Он численно равен повышению температуры, которое произойдет в единице объема почвы при поступлении в нее тепла, численно равного ее теплопроводности [6]. Эффективный коэффициент температуропроводности зависит от температуры среды, градиента температуры и в значительной мере от процессов переноса влаги и фазовых переходов внутри среды.

Аналитическое решение одномерного уравнения теплопроводности при периодическом ходе температуры на поверхности почвы и постоянных свойствах среды показывает [1], что температура почвы на разных глубинах испытывает периодические колебания такого же периода, как и температура поверхности почвы. Однако при проникновении на глубину амплитуда и фаза колебаний изменяются. Амплитуда колебаний температуры (А) убывает с глубиной по экспо-

Т а б л и ц а 2

Время наступления максимума и минимума в суточном ходе температуры почвы в разные месяцы на глубинах 2, 5, 10, 15 и 25 см,

среднее (час:мин местного времени) за 2007-2010 гг.

Месяц Минимум Максимум

2 см 5 см 10 см 15 см 25 см 2 см 5 см 10 см 15 см 25 см

Май 6:39 7:05 7:49 8:00 9:52 15:52 16:55 17:51 18:56 19:24

Июнь 6:03 6:40 7:38 8:29 11:33 16:15 17:09 18:26 20:32 21:34

Июль 6:02 6:39 7:32 8:39 12:32 15:56 17:06 18:35 20:21 21:41

Август 6:41 7:18 8:11 9:10 13:01 16:14 17:12 18:50 20:28 21:57

Сентябрь 7:29 7:55 8:56 10:00 13:12 16:31 17:18 18:37 20:15 21:50

ненциальному закону А = А)ехр(- г^л/аП), где П и

А0 - период и амплитуда колебаний на поверхности почвы; а - коэффициент температуропроводности; г -глубина [1].

Данная формула получена при использовании предположений о постоянстве коэффициента температуропроводности в пространстве и во времени, а также о строго гармонической синусоидальной форме колебаний температуры на поверхности. Предположение об однородности теплофизических свойств является весьма грубым и может приводить к возникновению ошибок определения температуропроводности при использовании данного метода [6].

В табл. 3 приведены регрессионные соотношения, связывающие амплитуду суточного хода температуры почвы с глубиной. Регрессионные соотношения получены по данным, приведенным в табл. 1. Экспоненциальная модель очень хорошо описывает наблюдаемые закономерности, о чем говорят высокие (более 0,99) коэффициенты детерминации модели. Множитель перед экспонентой служит для оценки величины амплитуды поверхности почвы. Амплитуда температуры поверхности снижается от 16°С в мае до 7,5°С в сентябре. Период колебаний температуры на поверхности почвы составляет 24 ч, что дает возможность из вышеприведенного уравнения выразить коэффициент температуропроводности а. Эффективная температуропроводность верхнего слоя торфяной почвы, рассчитанная по данным мониторинга температуры, составляет 89 см2/ч с июня по сентябрь. В мае коэффициент температуропроводности ниже (5,05 см2/ч) вследствие пониженной влажности поверхностного слоя. Температуропроводность торфяной почвы и мохового очеса значительно ниже температуропроводности серой лесной

почвы, которая составляет от 5 до 30 см2/час в зависимости от влажности [6].

Т а б л и ц а 3

Коэффициент эффективной температуропроводности («) верхних 25 см торфяной почвы, среднее (°С) за 2007-2010 гг.

Месяц Регрессионное уравнение & а, см2/ч

Май А = 15,96 ехр(-0,161 г) 0,9929 5,05

Июнь А = 13,38 ехр(-0,127 г) 0,9981 8,12

Июль А = 12,86 ехр(-0,128 г) 0,9966 7,99

Август А = 11,08 ехр(-0,124 г) 0,9978 8,51

Сентябрь А = 7,46 ехр(-0,121 г) 0,9997 8,94

Примечание. А - амплитуда суточного хода, г - глубина, & - коэффициент детерминации регрессионного уравнения.

Анализ результатов температуры торфяной почвы с высоким временным разрешением показал, что суточные колебания температуры проникают до глубины 25 см. С увеличением глубины наблюдаются уменьшение амплитуды тепловой волны и запаздывание наступления экстремумов температуры. Амплитуда суточного хода температуры составляет 5,9-10,2°С в поверхностном слое мха и 0,3-0,5°С - на глубине 25 см. Время запаздывания тепловой волны на глубине 25 см составляет более 5 часов с июня по сентябрь. Тепловые колебания в торфяной почве эффективно гасятся: в верхнем слое -вследствие высокой теплоизолирующей способности мохового очеса, в нижележащих слоях - из-за насыщенности их водой и отсутствия конвективных движений.

Оценка значений коэффициентов эффективной температуропроводности торфяной почвы, проведенная по затуханию амплитуды суточных колебаний температуры, может быть использована для моделирования пространственной и временной динамики температуры верхних слоев почвы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курс метеорологии (Физика атмосферы) / под ред. П.Н. Тверского. Л. : ГИМИЗ. 1951. 888 с.

2. Слейтер Р.,Макилрой И. Практическая микроклиматология. М. : Прогресс, 1964. 308 с.

3. ДимоВН. Тепловой режим почв СССР. М. : Колос, 1972. 360 с.

4. Природные режимы средней тайги Западной Сибири. Новосибирск : Наука, 1977. 302 с.

5. Климатические условия и микроклимат таежных геосистем Сибири. Новосибирск : Наука, 1980. 232 с.

6. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв : метод. руководство / под ред. Е.В. Шеина. М. : Изд-во

МГУ, 2001. 200 с.

7. Казанцев С А, Дучков А.Д. Автономная аппаратура для режимных измерений температуры // Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон.

Новосибирск : Наука, 1992. С. 365-373.

8. Дюкарев ЕА., Головацкая ЕА, Дучков А.Д, Казанцев С А. Экспериментальное исследование температурного режима торфяной залежи Бак-

чарского болота (Западная Сибирь) // Геология и геофизика. 2009. Т. 50, № 6. С. 745-754.

9. Болота Западной Сибири, их строение и гидрологический режим. Л. : Гидрометеоиздат, 1976. 447 с.

10. Васюганское болото (природные условия, структура и функционирование). 2-е изд. Томск : ЦНТИ, 2003. 212 с.

11. Дюкарев ЕА, Головацкая ЕА. Особенности температурного режима торфяной залежи олиготрофного болота южной тайги Западной Сиби-

ри // География и природные ресурсы. 2012. № 4 (в печати).

12. Головацкая ЕА, Порохина ЕВ. Ботаника с основами фитоценологии: Биологическая продуктивность болотных биогеоценозов : учеб.-

метод. пособие / под ред. В.А. Дырина. Томск : Изд-во Том. гос. пед. ун-та, 2005. 64 с.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 16 октября 2012 г.