CC BY
5
===== СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ====
УДК 911.2:502:571.51
ИЗМЕНЕНИЕ ЗАПАСОВ МОБИЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА И ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ ПОЧВ НАЗАРОВСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ
© 2022 г. И.Б. Воробьева
Институт географии им. В.Б. Сочавы Сибирского Отделения РАН Россия, 664033, Иркутск, ул. Улан-Баторская, д. 1. E mail: Irina-vorobyeva@yandex.ru
Поступила в редакцию 13.05.2021. После доработки 29.10.2021. Принята к публикации 13.01.2022.
В статье представлены результаты исследований по изменению содержания и запасов водорастворимых форм кальция, магния, органического и минерального углерода и влаги природных и антропогенно измененных почв, а также изменения температуры естественных почв в разных местоположениях. Актуальность исследования обусловлена необходимостью анализа изменений изучаемых параметров в условиях краткосрочных изменений климата в островной лесостепи Назаровской котловины. В исследованиях были использованы общепринятые методы: ландшафтно-геохимический, сравнительно-аналитический, сравнительно-географический и статистический. Установлено, что запасы влаги в лугово-болотной почве максимальны, в почве лугово-черноземной выщелоченной - минимальны, а в черноземе обыкновенном луговатом и его антропогенной модификации - залежи - значения близки, что связно с их положением в рельефе и гидротермическим режимом. Выявлено экспериментальным путем («in situ»), что в черноземе обыкновенном луговатом температурная кривая более крутая, температуры промерзания более низкие, а период с отрицательными температурами более длительный, чем в лугово-болотной почве. Получены новые знания по изменению запасов водорастворимых форм кальция, магния, органического и минерального углерода, содержанию влаги и колебанию климатических параметров (температуры воздуха и сумм осадков). Установлены внутригодовые изменения температуры естественных почв («in situ») островной лесостепи для более полного понимания динамики природных процессов, а также использования полученных результатов в дальнейших исследованиях по изучению островной лесостепи в изменяющемся климате.
Ключевые слова: природные, антропогенно измененные почвы, температура, влажность, запасы водорастворимых веществ, органический и минеральный углерод. DOI: 10.24412/1993-3916-2022-2-40-50
Территория Средней Сибири в природном плане очень разнообразна. Она включает часть Средне-Сибирского плоскогорья, восточную кромку Западно-Сибирской равнины и северную часть Алтае-Саянской горной области. Лесостепь в Средней Сибири не имеет зонального характера и законы широтной зональности здесь нарушаются. Лесостепные участки представляют собой изолированные «острова» среди тайги. Они занимают обособленные районы, окруженные лесной растительностью. В пределах лесостепных «островов» растительность и почвы, характерные для степей, находятся на террасированных пространствах в долинах современных действующих и древних сухих водотоков. Возвышенные водосборные пространства заняты лесной растительностью.
Фундаментальные исследования о влиянии меняющихся гидроклиматических параметров на развитие и функционирование природных комплексов требуют получения новых знаний в условиях Средней Сибири, а именно, на территории Назаровской лесостепи.
Внутриконтинентальное расположение Назаровской лесостепи, в сочетании с особенностями котловинного рельефа, создают особые микроклиматические условия и многообразие состояний для развития почв и растительных сообществ. Почва является носителем различной информации (о прошлом и настоящем) и, вследствие этого, особое внимание уделяется изучению ее свойств. При исследовании почв кроме общепринятых методик применяется метод анализа водной вытяжки, которая дает представление о содержании в почве водорастворимых веществ и динамике почвенных
процессов. Общепризнано использование водной вытяжки для характеристики общих запасов легкорастворимых соединений и мобильных веществ почв, способных при определенных условиях переходить в почвенные растворы.
Установлено, что изменение общеклиматических параметров существенно влияет на состояние почвы (Природа и хозяйство ..., 1983; Горбачев, 2014).
Цель исследования - проследить изменения содержания водорастворимых форм элементов (кальция, магния, общей щелочности) и углерода в сопряженном ряду: чернозем обыкновенный луговатый («луг» - III) - его антропогенная модификация («залежь» - IV) - лугово-черноземная выщелоченная («склон» - V) - лугово-болотная карбонатная почва («болото») и чернозем обыкновенный луговатый («луг») с термическим режимом естественных почв - лугово-болотная карбонатная почва («болото» - VI) в условиях изменения гидроклиматических параметров.
Для достижения цели были поставлены задачи: дать анализ динамики климатических параметров территории исследования (для общей характеристики климатических условий района исследований используются показатели метеостанции «Шарыпово»); выявить количественные изменения водорастворимых форм элементов (кальций, магний, углерод минеральный и органический) и содержание влаги во временном; показать изменения запасов водорастворимых веществ и колебания климатических параметров (временные рамки - 1981-1984 гг. и 2010-2014 гг.); обнаружить внутригодовые изменения температуры естественных почв в разных местоположениях.
Предыдущие исследования автора дали многообразный оригинальный материал о состоянии и динамике почв Назаровской лесостепи (Воробьева, 2020; Vorobyeva, 2013). В данной статье рассматриваются изменения запасов водорастворимых форм элементов и углерода в почвах разных местоположений связанные с колебаниями климатических параметров.
Материалы и методы
Район исследования расположен в центральной части Евразии и удален от морей и океанов на несколько тысяч километров. Для центральной части региона, преимущественно равнинной, с островными лесостепями и плодородными почвами, характерны относительно короткое жаркое лето, продолжительная холодная зима, быстрая смена температур. Средняя температура в январе составляет -18°С, а в июле +20 °С. В среднем в год выпадает 316 мм осадков, в основном летом. Снежный покров устанавливается в начале ноября и сходит к концу марта (Общая информация о Красноярском крае, 2013). Континентальный климат и сложный рельеф в совокупности создают множество локальных особенностей и экологических условий почвообразования. Водный и тепловой режимы отличаются значительной контрастностью, и как следствие, растительный и почвенный покров характеризуется большим разнообразием и пестротой. По физико-географическому районированию (Снытко и др., 1987) территория исследования относится к Назаровскому предгорно-котловинному округу Верхнечулымской провинции.
Территория Назаровской котловины интенсивно используется в народном хозяйстве. В советские времена степень использования земель достигала 66-69%, в постсоветские годы многие сельскохозяйственные земли были заброшены. Часть сельскохозяйственных земель оказалась невостребованной, и они стали зарастать, переходя в залежи (Доклад о состоянии ..., 2019). Дальнейшее их развитие происходит по восстановительному типу, и они стремятся к своему природному аналогу.
Изучение закономерностей изменения физико-химических свойств почв проводились нашими предшественниками с начала 1980-х годов на ключевых участках с использованием метода сопряженного анализа вещества (Снытко и др., 1987). Первоначальное описание объектов исследования выполнено А.В. Мартыновым (1983), начавшим режимные наблюдения за миграцией вещества на данной территории. Наши исследования осуществлялись на Березовском физико-географическом стационаре Института географии имени В.Б. Сочавы СО РАН в лесостепных геосистемах Назаровской котловины с 1986 по 2014 гг.
Предметом детальных исследований послужили почвы (рис. 1) фаций: элювиальная локально-аккумулятивная осоково-злаково-разнотравная с черноземом обыкновенным луговатым маломощным тучным среднесуглинистым на карбонатных покровных суглинках (по классификации 1977 года; т. «луг» - III); ее антропогенная модификация - злаково-разнотравная залежь с большим
количеством хвоща и подорожника (т. «залежь» - IV); трансэлювиально-аккумулятивная полугидроморфная разнотравно-луговая закустаренная с лугово-черноземной выщелоченной мощной намытой среднесуглинистой почвой на карбонатных покровных суглинках (т. «склон» - V) и трансаккумулятивная гидроаккумулятивная высокоразнотравно-осоковая закачкаренная закустаренная с лугово-болотной иловатой карбонатной слоистой почвой (т. «болото» - VI; Снытко и др., 1987).
Используемые методы: ландшафтно-геохимический метод позволяет проводить комплексное изучение компонентов ландшафтов в сопряженном ряду, с ним пересекаются сравнительно-аналитический и сравнительно-географический, первый используется для изучения почвы с поверхности и на всю глубину со сравнением вещественного состава, что позволяет выявить изменения, возникшие в результате почвообразования, превращение веществ, их передвижение; второй - сравнение различных компонентов ландшафтов и показать их особенности, наиболее характерные, а потому наиболее существенные черты; статистический метод дает возможность получить некоторые показатели расчетным путем, коэффициенты корреляции. Пробы почв отбирались с помощью бура в трехкратной повторности с глубин 0-5, 5-10 и далее через каждые 10 см до 50 см, затем высушивались до воздушно сухого состояния и исследовались по общеустановленным методикам (Аринушкина, 1970). Температура почвы измерялась с использованием термометра-щупа АМ-6 через 5 см до глубины 20 см. Содержание органического углерода определялось методом Тюрина после высушивания при 80 оС аликвоты вытяжки. Углерод бикарбонатной щелочности и от растворимых карбонатов переводился в Смин. умножением на условные коэффициенты 0.197 и 0.2 соответственно.
Рис. 1. Местоположение объектов исследований. Условные обозначения: 1 - Шарыповский район, ключевой участок «Отножка», 2 - схема ландшафтно-геохимического профиля.
Наблюдения проводились в конце июля - начале августа перед пиком поступления в почву опада, когда органические вещества почв стабилизировались в среднем, характерном для данной
почвы значении. Пробы почв отбирались ежегодно в середине вегетационного периода (в июле), на одних и тех же участках. За период наблюдений было отобрано и проанализировано более 200 образцов почв. Запасы элементов рассчитывались с учетом плотности каждого слоя на единицу площади. Проводились наблюдения за параметрами экологического состояния почвы (температурой и влажностью) в различные по гидроклиматическим условиям годы. Влажность почвы определялась весовым методом. Для записи температуры почвы на глубине 20 см в течение года применялись измерители температуры «ТЕРМОХРОН». Регистрация температуры проводилась каждые 3 часа с погрешностью ± 0.5°С в течение года (2009 VII-2010 VII). Как правило, в научных исследованиях, используются температурные данные ближайшей метеостанции. Датчики температуры были установлены «in situ» на выровненном участке луговой степи в черноземе обыкновенном луговатом (т. луг - III) и лугово-болотной иловатой карбонатной слоистой почве (т. болото - VI), в июле 2009, показания сняты в июле 2010 г. (55° 37.163' с.ш., 89° 11.714' в.д.). Отбор почвенных образцов, химический анализ и все расчеты проведены автором.
Для описания климатических условий района исследований были использованы данные температуры воздуха и суммы осадков метеостанции «Шарыпово» (55° 31.30' с.ш., 89° 12.00' в.д.), расположенной в 9 км к юго-западу от ключевых точек.
Результаты и обсуждение
При анализе динамики климатических параметров за период 1987-2018 гг. выявлено, что сумма осадков за год в большинстве случаев, близка к норме (444 мм), но могут быть колебания как в сторону увеличения (до 668 мм в 1996 г.), так и уменьшения (до 276 мм в 1989 г.; рис.2).
Обнаружено, что годовая сумма осадков показывает небольшое незначимое увеличение. Среднегодовая температура воздуха была отрицательной в 1996, 2009 и 2010 гг., а наибольшие значения были выявлены в 1995, 2002, 2007, 2015 и 2017 гг. (свыше 3.0°С при норме 0.9°С). Современной климатической нормой метеоэлементов считаются средние величины, рассчитанные за промежуток времени 1961-1990 гг., который был утверждён Всемирной Метеорологической Организацией (Что такое климатическая норма?, 2016).
За время наблюдений обнаружено несколько циклов изменений величины среднегодовой температуры воздуха и количества осадков, но все они возвращаются через некоторое время к «исходной» позиции - на начало цикла.
Годы Годы
Рис. 2. Многолетняя динамика среднегодовой и среднеиюльской температуры воздуха (а) и среднегодовых и среднеиюльских суммарных осадков (б) по данным метеостанции Шарыпово.
Вегетационные сезоны в 1986-2018 гг. различались между собой, так в середине летнего периода (июль) холодно (на 1.5-2.0°С ниже нормы, норма для июля - 17.8 °С) было в: 1988, 1997, 2001, 2002, 2003, 2004, 2010, 2011 и 2018 гг. и июльских осадков выше нормы было в: 1987, 1988, 1990, 1993, 1996, 2001, 2002, 2004-2006, 2010, 2014-2016 и 2018 гг. - 1.5-2.5 нормы (норма для июля - 75 мм). Обнаружено, что 1988, 2001, 2002, 2004, 2010 и 2018 гг. были экстремальными - с большим
количеством влаги и низкими температурами, что отразилось на низком содержании водорастворимых форм углерода. При повышении влажности почв восстановительные условия содействуют формированию подвижных форм органического вещества и его миграции за пределы почвенного профиля. В теплые годы, с повышенной температурой и малым количеством осадков (1986, 1999, 1998, 1999, 2005, 2007 гг.), вследствие дефицита влаги происходит концентрирование в почве водорастворимых соединений.
Выявлено, что за время наблюдений были годы как с большим количеством осадков и низким температурным фоном, так и с жаркими и сухими условиями, что проявилось в общих чертах: повышение среднемноголетних температур воздуха более чем 1°С - особенно в зимний и осенний периоды, и понижение - в летнее время (июль). Установлено увеличение сумм осадков, особенно в весенне-летние периоды (Географические исследования Сибири, 2007). И, как результат, проявилась единая тенденция увеличения среднегодовой температуры и сумм осадков. По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (2019), глобальное потепление уже достигло доиндустриального уровня и это служит причиной негативных последствий для экосистем и людей.
Министерство природных ресурсов и экологии России отмечает, что темпы глобального потепления в России выше, чем в среднем на планете. Так, за период с 1976 по 2017 гг. повышение среднегодовой температуры воздуха за десятилетие составило 0.4°С, тогда как в мире этот показатель составляет 0.18°С. Отмечен значительный рост выбросов парниковых газов, и что причиной потепления, с вероятностью, превышающей 95%, является антропогенное воздействие (Доклад об особенностях ., 2020).
На основании проведенных расчетов по данным, полученным на метеостанции «Шарыпово» установлено небольшое незначимое увеличение суммы осадков и среднегодовой температуры воздуха, что согласуется с прогнозами дальнейшего роста сумм осадков главным образом в холодный период.
А.А. Шпедт с соавторами (2019) выявил, что изменение климатических параметров в Красноярском крае происходит с большей скоростью, чем в среднем на территории России. Наиболее вероятный прогноз изменения климата до 2050 г. предполагает повсеместное потепление на 0.6-0.7°С и увеличение количества осадков на 30-50 мм/год. Предполагается, что в зимний период будет выпадать осадков на 4-6% больше, чем в настоящее время, особенно в Восточной Сибири (7-9%; Кочугова, 2018).
Физико-химическая характеристика территории исследования дана А.В. Мартыновым (Снытко и др., 1987) и представляет выровненный участок осоково-злаково-разнотравной луговой степи (участок «Отножка» точки III и IV). Физико-химические свойства изучаемых почв представлены в таблице 1.
Установлено, что с глубиной нейтральная реакция почвенной среды меняется на щелочную, почвенный поглощающий комплекс насыщен основаниями с преобладанием в его составе кальция, емкость поглощения снижается вниз по профилю с уменьшением органического вещества. Лугово-черноземная выщелоченная почва расположена на склоне восточной экспозиции (борт лога) -разнотравный закустаренный луг (участок «Отножка» точка V). Выявлена высокая емкость поглощения, сравнительно небольшая относительная плотность твердой фазы, большое количество органического вещества и значительно меньшее количество азота. В почвенном поглощающем комплексе присутствует большое количество магния, что свидетельствует об активном проявлении процессов глееобразования. Определено постоянное переувлажнение с глубины 70 см, в верхнем слое оно носит периодический характер. Лугово-болотная почва обладает высокой водоудерживающей способностью, органоминеральный горизонт (А^) содержит большое количество гумуса и обладает очень высокой емкостью поглощения.
В почвах участка «Отножка» направление геохимической миграции элементов определяется в основном рельефом местности - от положительных форм к днищу лога.
Сравнительный анализ запасов мобильного вещества в почвах сопряженного ряда фаций: «луг -залежь - склон - болото» (III - IV - V - VI) выявил тенденции изменения их количественных показателей. Для характеристики запасов продуктивной влаги в почве представляет интерес ее изучение, как в сопряженном ряду, так и во времени (табл. 2).
Запасы продуктивной влаги, выявленные А.В. Мартыновым (1987), превышают запасы, обнаруженные в 2010-2014 гг. В этот период гидротермические условия были очень неоднородные как с большим количеством осадков и низким температурным фоном, так и с жаркими и сухими условиями (рис. 2).
Таблица 1. Физико-химические свойства почв.
Почва Горизонт Глубина, см Плотность почвы, г/см3 рН Содержание, % C/N Обменные основания, мг-экв./100 г CaCO3, %
С N Ca2+ Mg2+ Ca2++Mg2+
Чернозем обыкновенный луговатый (III)* А 0-26 0.95 7.0 7.44 1.21 6.3 41.6 8.0 49.6 -
АВ 26-33 0.97 7.1 1.85 0.28 6.6 31.2 5.6 36.8 -
Вк 33-54 1.19 8.2 0.97 0.28 3.5 24.8 5.6 30.4 14.50
ВСк 54-100 1.58 8.2 0.40 - - 19.6 3.2 22.8 16.34
Антропогенная модификация III (IV)* Апах 0-16 1.09 7.0 6.33 0.99 6.4 33.2 13.2 36.4 -
А 16-33 1.06 7.1 2.98 0.59 5.0 26.4 12.4 38.8 -
АВ 33-46 1.20 6.9 1.54 0.14 10.9 31.2 2.1 33.3 -
Вк 46-70 1.50 8.2 - - - 19.6 2.8 22.4 11.53
ВСк 70-100 1.58 8.2 - - - 20.0 3.1 23.1 12.60
Лугово-черноземная выщелоченная (V)* Ад 0-15 0.64 6.3 12.26 0.30 40.9 38.0 13.6 51.6 -
А11 15-38 0.67 6.1 10.25 0.30 34.2 41.6 21.2 62.8 -
А111 38-71 0.77 5.7 6.22 0.51 12.2 30.8 4.0 34.8 -
АВЁ 71-98 - 6.7 2.35 0.33 7.1 27.2 14.0 41.2 -
Лугово-болотная иловатая карбонатная (VI)* Ад(т) 0-18 0.71 7.8 13.61 0.31 43.9 58.8 3.6 62.4 -
А1в 18-35 0.69 7.6 5.81 0.30 19.4 58.0 18.8 76.6 -
АВЁ 35-76 1.02 7.4 0.84 0.75 1.12 29.2 20.8 50.0 -
Вв 76-100 - 7.3 2.30 0.65 3.4 28.8 8.8 37.6 -
Примечание к таблице 1: * - данные А.В. Мартынова (Снытко и др., 1987).
В формировании запасов почвенной влаги важная роль принадлежит местоположению. Лугово-черноземная выщелоченная почва (V) занимает подчиненное положение по отношению к чернозему обыкновенному луговатому (III), где привнос влаги сочетается с его выносом. При этом в слое 0-20 и 0-50 см, в сравнении с ранее проведенными исследованиями А.В. Мартынова, установлено уменьшение запасов влаги во всех типах почв, кроме лугово-болотной иловатой карбонатной (VI). Установлено, что диапазон колебаний запасов влаги в слое 0-20 см не изменился. Наиболее заметные изменения выявлены в слое 0-50 см в черноземе обыкновенном луговатом (III) и лугово-болотной иловатой карбонатной почве (VI) с увеличением амплитуды колебаний в 1.5 раза.
Отмечено, что в черноземе обыкновенном луговатом (III) запасы мобильного органического вещества, кальция и магния больше, чем в её антропогенной модификации - залежи (IV). Минимальные запасы водорастворимых щелочноземельных элементов выявлены в лугово-черно-земной выщелоченной почве (V) подножия склона, что является результатом выноса этих элементов с водными потоками в нижележащую болотную фацию, где и происходит их накопление. Запасы органического вещества в основном сконцентрированы в корнеобитаемом слое 0 -20 см, что обусловлено наличием здесь его источника и оптимальными гидротермическими условиями (разность температур почвы на глубине 5 и 20 см не превышает 5°С).
Исследования середины 80-х годов ХХ в. установили эту закономерность, а наши - подтвердили,
только на более высоком количественном уровне и с увеличением диапазона их колебаний. Увеличение запасов мобильных форм элементов и органического углерода в 2010-2014 гг., возможно, связано со снижением среднеиюльской температуры воздуха и увеличением осадков в данный период, а также с общей тенденцией увеличения среднегодовой температуры воздуха и сумм осадков.
Таблица 2. Запасы водорастворимых веществ и влаги в почвах.
Почва Слой почвы, см С органический, кг/га С минеральный, кг/га Ca, кг/га Mg, кг/га Влага, мм
III* 0-20 312-875 (563) 522 72-244 (172) 156 107-332 (225) 195 15-81(66) 41 54-114 (60) 79
0-50 348-1451 (1103) 984 253-570 (317) 375 323-568 (245) 437 75-159 (84) 100 110-196 (86) 158
IV* 0-20 83-625 (542) 368 48-186 (138) 103 76-235 (159) 144 12-43 (31) 35 61-143 (82) 94
0-50 219-1517(1298) 756 135-495 (360) 308 262-807 (545) 435 53-194 (141) 98 124-262 (138) 175
V* 0-20 165-373 (208) 236 26-420 (394) 108 58-172 (114) 97 12-55 (43) 27 45-107 (62) 73
0-50 358-791 (433) 577 48-602 (554) 175 139-238 (99) 179 27-105 (78) 54 102-252 (150) 176
VI* 0-20 151-831 (680) 415 87-491 (404) 176 69-277 (208) 194 34-93 (59) 60 91-180 (89) 147
0-50 232-1206 (974) 665 172-1077 (905) 359 130-594 (464) 360 72-307 (235) 152 214-442 (228) 328
III** 0-20 862-1867 (1005) 1283 56-208 (152) 94 122-371 (249) 281 18-95 (77) 41 44-102 (58) 54
0-50 956-3405 (2449) 2174 180-532 (358) 355 256-621 (365) 786 81-203 (122) 146 86-198 (112) 117
IV** 0-20 941-2546 (1605) 1347 36-438 (396) 110 115-421 (306) 254 17-56 (39) 45 40-129 (89) 48
0-50 1876-3328 (1452) 2540 91-568 (537) 196 298-976 (678) 491 48-206 (158) 98 103-235 (132) 119
V** 0-20 426-1245 (819) 991 31-154 (123) 49 105-312 (207) 171 25-96 (71) 48 30-98 (68) 45
0-50 738-2342 (1611) 1973 39-296 (257) 99 208-398 (190) 355 152-198 (146) 92 68-229 (155) 124
VI** 0-20 541-1438 (897) 1040 91-628 (537) 111 82-486 (404) 354 62-186 (124) 130 84-175 (91) 110
0-50 789-2931 (2142) 1938 190-1567 (1347) 251 199-867 (668) 637 131-502(371) 293 192-355 (163) 245
Примечания к таблице 2: III* - чернозем обыкновенный луговатый, IV* - антропогенная модификация, V* - лугово-черноземная выщелоченная, VI - лугово-болотная иловатая карбонатная (по данным А.В. Мартынова, значения за 1981-1984 гг. (Снытко и др., 1987)); III** - данные автора статьи, значения за 2010-2014 гг.; в числителе дан диапазон значений, в скобках - размах вариации, в знаменателе - среднее значение показателя.
Установлены коэффициенты парной корреляции мобильного органического углерода и отдельных параметров почвы, которые показали, что наибольшая зависимость мобильного
органического углерода обнаружена от температуры почвы (коэффициент корреляции - 0.4-0.6), а температура и влажность почвы имеют обратную зависимость —0.4-0.7, т.е. чем выше температура почвы, тем ниже влажность, и, следовательно, больше содержание водорастворимых элементов и органического углерода.
Представляют интерес средние показатели запаса влаги за вегетационный период (табл. 3), которые показывают, что с момента первых наблюдений они уменьшились примерно на 30% во всех местоположениях.
Таблица 3. Запасы влаги в слое почвы 0-50 см разных местоположений.
Название почвы (индекс) А*, т/га Б**, т/га А, т/га Б, т/га
Снытко и др. (1987)*** Собственные данные****
Чернозем обыкновенный луговатый (III) 1580 32 1170 23
Антропогенная модификация (IV) 1750 35 1190 24
Лугово-черноземная выщелоченная (V) 1760 35 1240 25
Лугово-болотная иловатая карбонатная (VI) 3280 66 2450 49
Примечания к таблице 3. Запасы влаги: А* - суммарные, Б* - средневзвешенные по глубине 050 см, *** - средние значения за 1981-1984 гг., ** - средние значения за 2010-2014 гг.
Соотношение температуры воздуха и почвы - одно из важных условий роста и развития растений. Для их нормального функционирования необходимо, чтобы корни находились в более прохладной среде, чем надземные органы. Когда корнеобитаемый слой теплее воздуха, нарушается обмен веществ, так как интенсивность дыхания становится выше, чем ассимиляция (Геосистемы ..., 1991).
В лесостепной зоне большую часть вегетационного периода растительность функционирует при благоприятном для нее соотношении между температурой корнеобитаемого слоя почвы и приземного воздуха, когда температура почвы на глубине 15 см в июле ниже температуры воздуха на 6-8°С. На открытых участках (т. III - залежь) температура воздуха в июле примерно в 1.5 раза выше, чем в верхних слоях почвы - 25.8°С и 17°С соответственно. В июле корреляция между температурами приземной атмосферы и корнеобитаемого слоя почвы довольно тесная (табл. 4).
Составленная матрица взаимосвязей температур воздуха и корнеобитаемого слоя почвы на разных глубинах показала, что в слое почв 0-20 см зависимости различаются, но имеют тесные связи. Коэффициенты корреляции 0.90-0.97 поверхности почвы и температуры воздуха свидетельствуют о тесной связи компонентов, причем в лугово-болотной почве он более низкий - 0.90. В черноземе обыкновенном луговатом (III) коэффициенты корреляции выражают близкую связь с температурой воздуха - 0.68-0.78, а в антропогенной модификации (IV) - 0.67-0.83. В лугово-болотной иловатой карбонатной почве (VI) коэффициенты корреляции составляют от 0.51 - на глубине 5 см до 0.87 - на глубине 20 см. Растительный покров на лугу и болоте имеет сплошное проективное покрытие и большее разнообразие, тогда как залежь и склон - более разреженное, что и сказывается на температурах почвы.
В ходе наблюдений установлено, что в середине вегетационного сезона температурный режим в слое почв 0-20 см разных местоположений формируется однотипно (рис. 3).
Об это свидетельствуют сходные кривые температурного отклика на солнечную радиацию. Поскольку на поверхности почвы создаются различные термические условия (проективное покрытие растительности, влажность почвы), то и температурный режим различается. Наиболее высокие значения выявлены в антропогенной модификации IV (залежь), а низкие - VI (болото), что согласуется с количественными характеристиками влажности почвы: минимальные - антропогенная модификация IV (залежь), а максимальные - VI (болото).
Датчики температуры («Термохрон»), установленные «in situ» на выровненном участке луговой степи в черноземе обыкновенном луговатом (т. луг - III) и лугово-болотной иловатой карбонатной слоистой почве (т. болото - VI) на глубине 20 см показали, что температурные кривые имеют разную конфигурацию (рис. 4).
Таблица 4. Коэффициенты корреляции между температурой воздуха на высоте 1.5 м и температурой почвы на разной глубине.
Название почвы Показатель Температура воздуха (Тв) Температура почвы (Тп) на разной глубине
Поверхность 5 см 10 см 15 см 20 см
Чернозем обыкновенный луговатый (III) Тв 1.00
Тп на разной глубине Поверхность 0.96 1.00
5 см 0.73 0.79 1.00
10 см 0.68 0.79 0.71 1.00
15 см 0.78 0.82 0.91 0.80 1.00
20 см 0.77 0.80 0.95 0.59 0.93 1.00
Антропогенная модификация (IV) Тв 1.00
Тп на разной глубине Поверхность 0.95 1.00
5 см 0.80 0.77 1.00
10 см 0.67 0.74 0.83 1.00
15 см 0.83 0.76 0.69 0.82 1.00
20 см 0.83 0.67 0.51 0.65 0.89 1.00
Лугово-черноземная выщелоченная (V) Тв 1.00
Тп на разной глубине Поверхность 0.97 1.00
5 см 0.77 0.77 1.00
10 см 0.67 0.60 0.91 1.00
15 см 0.73 0.71 0.64 0.56 1.00
20 см 0.72 0.80 0.42 0.20 0.52 1.00
Лугово-болотная иловатая карбонатная (VI) Тв 1.00
Тп на разной глубине Поверхность 0.90 1.00
5 см 0.51 0.69 1.00
10 см 0.75 0.83 0.72 1.00
15 см 0.84 0.96 0.51 0.82 1.00
20 см 0.87 0.93 0.51 0.83 1.00 1.00
о
^
ч и
12
0 5 10 15 20
Температура почвы ^ 17 22
—1-*-5»3в-1--
✓ ✓ / / \ \
г 1 1 1 1 1 1 „ ✓ / т /
! / ! / ->—•—•—1 г 1 •-
■ луг - III
• склон - V
—•— залежь IV —•—болото -VI
Рис. 3. Изменения температуры в почвенном профиле в сопряженном ряду: луг (III) - залежь (IV) - склон (V) - болото (VI).
Переход через ноль в черноземе обыкновенном луговатом (III) на глубине 20 см осуществляется в середине декабря (13.12), а весной - во второй декаде апреля (14.04). В лугово-болотной почве (VI) переход через ноль установлен в последней декаде февраля (26.02.2011) и в середине мая (13.05.2011). Период с отрицательными температурами в черноземе обыкновенном луговатом (III) длится с декабря по апрель (4 месяца), а в лугово-болотной почве (VI) с февраля до середины мая (3 месяца). Обнаружен сдвиг отрицательных температур примерно на 1.5-2 месяца. Согласно тем же измерениям, минимальные температуры в черноземе обыкновенном луговатом обнаружены в середине февраля (11-15 февраля), а в лугово-болотной - с февраля по май. В холодный период лугово-болотная почва промерзала
незначительно, низкие отрицательные температуры сохранялись длительное время уровне -0.5°С. Самая высокая температура обнаружена в июле в черноземе обыкновенном луговатом и лугово-болотной, причем значения были близкими - 14.4-14.5°С. Полученные данные согласуются с материалами других авторов (Дюкарев, 2012; Махатков, Ермолов, 2015; Коронатова, Миронычева-Токарева, 2019).
15 12
оУ 9
(Я £ 6
!3 В о
а)
я л
н я л <и С
Л н - - - - - « - Л
2 а г - »о № »о № »о - »о я я в <и ' § 2 а 2 а
Я о и 200 В О 9 г. м о 6§ о © 2 010 г.
15 12 9 6 3 0 -3
б)
Н - -
ю ю
г № №
н я Н X
<и и О
2009 г.
2010 г.
Рис. 4. Динамика температуры почвы в черноземе обыкновенном луговатом (а) и лугово-болотной почве (б) на глубине 20 см по данным измерителя температуры «ТЕРМОХРОН».
На основании полученных данных температурного режима чернозема обыкновенного луговатого и лугово-болотной почвы установлен различный ход температурных кривых: III - более крутая, VI -более пологая. Наибольшие различия выявлены в зимний период, а летом отличия менее заметны.
Выводы
При анализе выявленных изменений водорастворимых форм кальция, магния, углерода и гидротермического режима почв в сопряженном ряду: чернозем обыкновенный луговатый (луг) -антропогенная модификация (залежь) - лугово-черноземная выщелоченная (склон) - лугово-болотная карбонатная почва (болото) установлены направления изменения их количественных показателей.
Выявлено, что почвы, находящиеся в условно естественном и антропогенно измененном состоянии, обладают значительными временными колебаниями в содержании водорастворимых форм элементов и органического углерода. Направление миграции элементов определяется рельефом местности. Потоки вещества перемещаются от положительных форм рельефа к днищу лога.
Оценка взаимосвязей запасов водорастворимых форм и влаги установила отчетливую зависимость этих показателей от местоположения. Так, минимальные показатели водорастворимых органоминеральных компонентов были в лугово-черноземной выщелоченной почве (склоновое местоположение), вследствие выноса этих элементов с водными потоками в нижележащую болотную фацию, где и происходит их накопление. Эти тенденции были установлены в начале 80-х годов прошлого столетия А.В. Мартыновым и нашли свое подтверждение в исследованиях автора в 20032014 гг.
Выявлено, что температуры корнеобитаемого слоя зависят от множества факторов, в том числе от растительного покрова (проективное покрытие) и формы рельефа (крутизна склона). Установлено, что в середине вегетационного сезона температурный режим в слое почв 0-20 см разных местоположений формируется однотипно. Об это свидетельствуют сходные кривые температурного отклика на солнечную радиацию и достаточно высокие коэффициенты корреляции: температуры воздуха и поверхности почвы - 0.90-0.97 и температуры воздуха и почвы на глубине 20 см - 0.720.87.
Температурный режим в черноземе обыкновенном луговатом и лугово-болотной почве описывается разными кривыми, что было установлено по данным регистратора температуры «ТЕРМОХРОН». В черноземе обыкновенном луговатом температурная кривая более крутая и температуры промерзания более низкие, чем в лугово-болотной почве. Отрицательные температуры в почве точки VI показывают более поздний переход через ноль и более высокие значения температуры. Отрицательные температуры сохранялись в черноземе обыкновенном луговатом (III) в течение 4 месяцев, а в лугово-болотной почве (VI) - 3. Обнаружен сдвиг отрицательных температур
примерно на 1.5-2 месяца.
Приведенные данные показывают, что отмеченный незначительный и недостоверный рост среднегодовой температуры воздуха при достаточном количестве атмосферных осадков может вызывать изменения в запасах водорастворимых форм кальция, магния, органического и минерального углерода. Температуры корнеобитаемого слоя зависят от множества факторов, в том числе от растительного покрова и формы рельефа (крутизна склона). Слабый уклон и неудовлетворительные водно-физические свойства лугово-болотной почвы приводят к понижению температуры корнобитаемого слоя и переувлажнению профиля почвы.
Финансирование. Работа выполнена в рамках темы Государственного задания ИГ СО РАН: (№ FWEM-2021 -0002), номер госрегистрации темы: АААА-А21-121012190055-7 "Пространственно-временные закономерности вещественного состояния ландшафтов Сибири в изменяющихся условиях среды".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аринушкина Е.В. 1970. Руководство по химическому анализу почв. М.: Издательство МГУ. 488 с.
Воробьева И.Б. 2020. Гидротермические условия природных и антропогенных измененных почв Назаровского
лесостепи // Успехи современного естествознания. № 9. С. 33-39. Географические исследования Сибири. Ландшафтные процессы. 2007. Т. 2. Новосибирск: ГЕО. 315 с. Геосистемы контакта тайги и степи: Юг Центральной Сибири. 1991. Новосибирск: Наука. 217 с. Горбачев В.Н. 2014. Проблема взаимосвязи почв и экологических факторов почвообразования // Ульяновский
медико-биологический журнал. № 2. С. 107-117. Доклад о состоянии и использовании земель Красноярского края за 2018 год. 2019. Красноярск. 129 с. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2019 год. 2020 // Федеральная
служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). М. 97 с. Дюкарев Е.А. 2012. Амплитуда суточного хода температуры торфяной почвы // Вестник Томского
государственного университета. № 365. С. 201-205. Коронатова Н.Г., Миронычева-Токарева Н.П. 2019. Температурный режим торфяных олиготрофных почв лесостепи Западной Сибири (на примере Николаевского ряма) // Вестник Томского государственного университета. Биология. № 45. С. 190-209. Кочугова Е.А. 2018. Климатические изменения режима увлажнения Иркутской области в зимний период //
Известия Иркутского государственного университета. Серия «Науки о Земле». Т. 25. С. 107-120. Мартынов А.В. 1983. Почвенно-геохимические показатели динамики вещества в естественных и измененных
геосистемах // Динамика вещества в геосистемах. Иркутск. С. 17-27. Махатков И.Д., Ермолов Ю.В. 2015. Температурный режим деятельного слоя верхового болота Северной тайги
// Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. № 11. Ч. 3. С. 400-407. Межправительсвенная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Пресс-релиз МГЭИК, 25 сентября
2019 г. 2019. [Электронный ресурс https://www.ipcc.ch/report/srocc (дата обращения 10.02. 2021)]. Общая информация о Красноярском крае. 2013 [Электронный ресурс https://www.krsk.kp.rU/daily/26168/3054957/https://www.krsk.kp.ru/daily/26168/3054957 (дата обращения 05.10.2021)].
Природа и хозяйство района первоочередного формирования КАТЭКа. 1983. Новосибирск: Наука. 258 с. Снытко В.А., Семенов Ю.М., Мартынов А.В. 1987. Ландшафтно-геохимический анализ геосистем КАТЭКа. Новосибирск: Наука. 108 с.
Что такое климатическая норма? 2016 [Электронный ресурс
https://primpogoda.ru/articles/prosto_o_pogode/chto_takoe_klimaticheskaya_norma (дата обращения 14.10.2021)].
Vorobyeva I.B. 2013. Features of hydrothermal conditions and organic matter of soils in island forest steppe (Nazarovskaya depression) // Arid ecosystems. Vol. 3. No. 2. P. 77-84. [Воробьева И.Б. 2013. Особенности гидротермических условий и органическое вещество почв островной лесостепи (Назаровская котловина) // Аридные экосистемы. Т. 19. № 2 (55). С. 29-38.]
