CC BY
76
□
УДК 551.345:502
П.П. Гаерильее, И.С. Угаров, П.В. Ефремов
КРИОГЕНЕЗ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ И АГРОЛАНДШАФТОВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ
В статье приводятся результаты краткого обобщения и анализа выполненных работ на полигонах Кердюген, Дыргыабай, Спасская Падь в 1989-2004 гг. по плановым темам Института мерзлотоведения СО РАН. Здесь кратко рассматриваются некоторые результаты исследований об особенностях процессов криогенеза, переноса тепла (энергии) и воды в деятельном слое на основных площадках естественных геосистем и агроландшафтов этих полигонов. Дается оценка роли воды и водообеспеченности, тепла и теплообеспеченности как ведущих экологически значимых параметров мерзлотных почв и ландшафтов.
Известно, что в случае незначительных вмешательств в естественную среду ее экосистемы способны саморегулироваться и восстанавливаться, но если эти вмешательства превышают определенные границы и уже не могут «угаснуть» в цепи иерархии экосистем, они приводят к нарушениям энерго- и биобаланса на значительных территориях. Человек на современном этапе своей деятельностью настолько разбалансировал природные связи всей глобальной экосистемы, что она начала активно деградировать, теряя способность самовосстанавливаться. Поэтому изучение изменения экологически значимых гидротермических показателей при антропогенном воздействии и потеплении климата является весьма актуальным. С этой целью в 1989-2004 гг. был проведен мониторинг деятельного слоя, криогенных явлений в таежных и долинных естественных и агроландшафтах в различных физико-географических районах региона (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения мониторинговых полигонов деятельного слоя и криогенных явлений Треугольниками показаны полигоны: 1 - Кердюгенский, 2 - Хатасский, 3 - Спасская Падь, 4 - Майинский, 5 - Амгинс-кий, 6 - Хоробутский
Подобные мерзлотно-гидротермические исследования в предшествующие годы проводились П.П. Гаврильевым и А.А. Мандаровым [1, 2]; М.К. Гавриловой [3], А.В. Павловым [4], Д.Д. Саввиновым и К.Е. Кононовым [5], П.П. Гаврильевым и др. [6], П.Н. Скрябиным и др. [7] в составе теплобалансовых, теплофизических, мерзлотных и других программ. Между тем мерзлотно-гидротермические и криоэкологические исследования авторов последних лет имеют некоторые существенные отличия.
Здесь рассматриваются некоторые результаты исследований об особенностях процессов криогенеза, переноса тепла (энергии) и воды в деятельном слое на основных площадках естественных геосистем и агроландшафтов полигонов Спасская Падь, Кердюген, Дыргыабай и др.
В 1989-2004 гг. мониторинговыми наблюдениямиус-тановлен широкий диапазон колебания природных условий и факторов, выражающийся в развитии различных внутригрунтовых ослабленных посткриогенных структур и мерзлотных форм микрорельефа, увеличении снегоот-ложения в термопросадках в 2-3 раза выше фоновой и теплых зим с температурой воздуха выше на 3-50С от нормы и изменении количества летне-осенних осадков выше нормы в ±1,5-3 раза. Они оказали сильное влияние на все основные параметры деятельного слоя (ДС), активизацию криогенных процессов и явлений.
Особенности переноса (круговорота) воды и энергии, влагозапасов и тепла в деятельном слое почвогрунтов на этих полигонах определяются следующим комплексом природных условий и факторов, их сложным сочетанием: 1) типом мерзлотных почв и ландшафтов, их компонентами (различные виды растительности, напочвенный и снежный покровы, разновидности мерзлотных почв, глубина залегания многолетнемерзлых пород (ММП));
2) составом, строением и свойством почвогрунтов (песок, супесь, суглинок, торф и их физико-механические и тепло-, водно-физические свойства); 3) протекающими в де-
ятельном слое криогенными процессами при сезонном протаивании-промерзании, фазовых переходах воды в лед и наоборот; 4) мезо- и микрорельефом местности; 5) резкими кратковременными колебаниями элементов климата; 6) антропогенными воздействиями; 7) временем.
За последние пятнадцать лет (1989-2004 гг.) резкие изменения метеоусловий по сравнению с типичными годами в сочетании с отмеченными выше природными и антропогенными факторами оказали значительные влияния на тепловой и водный режимы деятельного слоя и криогенные процессы. Они проявляются в своеобразных формах и видах.
1. В 1993-2004 гг. на естественных и антропогенных мерзлотных ландшафтах произошло увеличение тепло- и
влагосодержания сезонно-талого слоя (СТС), теплоэнергетики формирования сезонно-мерзлого слоя (СМС) и сезонно-талого слоя в 1,2-2,3 раза. Среднеквадратичное отклонение мощности сезонно-талого слоя составило от 0,12 до 0,16 м, коэффициента вариации - от 6,8 до 9,0, размах колебания СТС до 0,6 м (табл. 1).
Внутрисезонные величины влагозапасов изменяются в широких пределах (табл. 2). Влагозапас верхнего корнеобитаемого слоя почвы (0-0,5 м) пл. 1 колеблется от 39 до 165, пл. 2 - от 23 до 77, пл. 3 - 13 до 104 мм в различные периоды теплого сезона, слоя сезонного оттаивания соответственно изменяется в пределах 168-366, 287-453, 161-308 мм.
Таблица 1
Статистические характеристики изменения глубины сезонного протаивания (от средней) на полигоне Кердюген за 1989-2004 гг.
Луг Залежь Лес Просадка
Минимальная (м) 2,04 1,83 1,31 1,39
Средняя (м) 2,40 2,07 1,57 1,55
Максимальная (м) 2,64 2,27 1,82 1,73
Квадратическое отклонение (м) 0,164 0,148 0,141 0,118
Коэффициент вариации 6,8 7,1 9,0 7,6
Таблица 2
Динамика влагозапаса почвы на полигоне Спасская Падь, 2001 г. (мм)
Глубина, м 24.04 14.06 29.06 15.07 14.08 05.09 19.09
Площадка 1 (лиственничный лес)
0-0,5 134,3 164,7 67,3 38,7 41,4 66,5 42,6
0-1,0 271,4 301,8 177,1 103,5 136,9 145,3 128,5
0-1,5 335,5 365,9 241,2 167,6 201 248,1 215,1
Площадка 2 (березовый лес)
0-0,5 45,4 58,5 77,4 45,2 32,6 23 29,7
0-1,0 156,2 162,2 106,1 80,4 59,7 70,4 92,3
0-1,5 312,9 318,9 240,1 207,2 179,1 152,2 216,8
0-2,0 453,2 459,2 380,4 347,5 319,4 286,9 370,6
Площадка 3 (сосновый лес)
0-0,5 39,8 103,8 36,5 32,9 23,6 13,1 29,3
0-1,0 62,1 146,8 75,3 63,3 44,9 33,7 54,8
0-1,5 112,3 200,4 128,1 115,9 87,5 71,7 95,7
0-2,0 219,9 308 235,7 223,5 195,1 160,8 187,8
В аномально теплое и сухое лето 1998 г. на ровных уча -стках пахотных земель отмечено снижение скорости и глубины сезонного протаивания из-за образования иссушенных, плохо теплопроводящих верхних слоев почв. Влажность почвы опускается ниже влажности разрыва капилляров, что резко уменьшает интенсивность переноса влаги и тепла в СТС. Значительное увеличение мощности СТС происходило лишь на термопросадочных участках над повторно-жильными льдами (ПЖЛ), где в начале лета скапливается талая вода. На плошадке 7 полигона Спасская Падь
была измерена наибольшая глубина сезонно-талого слоя (2,66 м), что на 25% больше среднего значения СТС луговых ландшафтов (табл. 3). Интересно отметить, что в теплый, засушливый сезон 2003 г. почти на всех площадках наблюдалось уменьшение протаивания почвогрунта.
В 1999 г. в условиях чередования аномально жаркой погоды в первой половине лета и дождливой прохладной погоды в августе и сентябре на площадке 2 пашни Дыргыабай глубина сезонного оттаивания составила 3,1 м, а в 1993 г. ее мощность была только 1,9 м.
У 37
Таблица 3
Мощность слоя сезонного протаивания почвогрунтов на стационаре Спасская Падь в 1996-2003 гг. (м)
Площадки Годы
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
1 (листв. лес) 1,2 1,33 1,47 1,58 1,52 1,32 1,51 1,46
2(березов. лес) 1,68 1,78 1,83 1,96 1,95 1,68 1,94 1,79
3 (соснов. лес) 1,86 2,0 1,95 2,02 2,04 1,88 1,95 1,93
4 (западина) 1,16 1,29 1,53 1,56 1,67 1,54 1,62 1,50
5 (поляна) 2,06 2,41 2,56 1,97 2,25 2,02 1,90 1,95
6 (кочкарник) 1,03 1,29 1,39 1,45 1,47 1,24 1,25 1,14
7 (метеостан.) - 2,0 2,66 2,43 2,38 2,01 2,29 2,28
8 (склон) - - - 2,0 1,95 1,8 1,96 2,0
2. Процессы обмена энергии (тепла) и воды в деятельном слое почвогрунтов зависят от механического состава, строения (целостности, пустотности, трещиноватости) и физико-механических свойств грунтов. Дисперсные отложения деятельного слоя сложены пылеватыми суглинками, супесями, песками и торфяными залежами. В зависимости от льдосодержания при оттаивании грунты могут иметь различное состояние, например, твердую, пластичную и текучую консистенции. Влияние механического состава и физико-механических свойств почв и грунтов СТС на формирование и динамику теплофизических процессов деятельного слоя осуществляется через их теплоемкость (С) и влажность ^).
3. Специфические изменения теплофизических свойств грунтов (коэффициентов теплопроводности X, объемной теплоемкости С) также значительны за счет увеличения их влажности, плотности и фазовых переходов воды по типам почв (табл. 4, 5). Как известно, тип и состав почвогрунтов влияют на формирование мощности и температурного режима СТС и СМС через их влажность, которая определяет затраты тепла на фазовые переходы влаги (0ф) и теплофизические характеристики (X, С). Увеличение предзимней влажности в последую-
щий сезон, как правило, требовало больших затрат и
уменьшения интенсивности сезонного протаивания в следующем году. Но, например, в аномально дождливое и теплое лето 1997 г. другой противоположно направленный отепляющий эффект почвогрунтов СТС, обусловленный инфильтрацией дождевых вод и высокими температурами воздуха, вполне компенсировал (устранил) возможное охлаждающее воздействие повышенных величин Офна тепловое состояние почвогрунтов СТС.
4. Формирование более динамичных водно-физических свойств грунтов связано с возникновением отдельных ослабленных посткриогенных структур в нижних горизонтах СТС (рис. 2). В них формируются высокие влагозапасы ^ ), значительно превышающие наименьшую влагоемкость почвогрунтов ^ ), - иногда до полной влагоемкости W при уничтожении (таянии) криотекстур. Эти явления косвенно показывают возможность возникновения посткриогенных рыхлых горизонтов (зон) в СТС, где резко уменьшается плотность, резко увеличивается фильтрация воды, влагоемкость и водовместимость почвогрунтов. В табл. 6, 7 для сравнения представлены водно-физические свойства мерзлотной лугово-черноземной почвы с рыхлой грунтовой жилой и без.
Таблица 4
Изменчивость теплофизических свойств некоторых типов мерзлотных почв в талом состоянии [8]
Типы мерзлотных почв Пределы изменений
Объемная масса скелета, кг/м3 Влажность от объема почвы, % Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м-К)
Лугово- черноземная 820-1440 8-52 0,41-1,05
Черноземно- луговая 510-1270 15-37 0,31-0,80
Дерново -луговая 390-1620 28-56 0,53-1,21
Пойменная дерновая 1290-1420 24-32 0,73-1,44
Торфяно- болотная 90-140 30-93 0,20-0,40
Таежная палевая 1250-1460 7-20 0,44-0,85
Таблица 5
Водно-теплофизические свойства почвы на плошадках полигона Спасская Падь, 1997 г.
Глубина, м УМ ОМ ПВ Ст с
кг/м3 % Вт/мК КДж/м3К
Площадка 1
0-0,1 2350 397 83 0,18 0,32 690 490
0,1-0,2 2670 1476 45 1,75 2,10 2320 1700
0,2-0,3 2670 1476 45 1,57 1,89 1820 1420
0,3-0,4 2640 1693 36 1,45 1,74 1660 1420
0,4-0,5 2640 1693 36 1,36 1,51 1590 1380
0,5-0,6 2640 1693 36 1,36 1,51 1590 1380
0,6-0,7 2640 1745 34 1,45 1,74 1720 1460
0,7-0,8 2640 1745 34 1,45 1,74 1720 1460
0,8-0,9 2640 1745 34 1,45 1,74 1720 1460
0,9-1,0 2650 1745 34 1,74 1,98 1930 1570
Площадка 2
0-0,1 2640 1239 53 1,33 1,72 2260 1580
0,1-0,2 2670 1434 46 1,38 1,62 2010 1540
0,2-0,3 2650 1451 45 1,53 1,99 2030 1520
0,3-0,4 2660 1539 42 1,68 2,05 2030 1540
0,4-0,5 2650 1615 39 1,55 1,82 1790 1450
0,5-0,6 2650 1615 39 1,34 1,46 1590 1350
0,6-0,7 2650 1615 39 1,37 1,59 1660 1380
0,7-0,8 2650 1639 38 1,34 1,46 1590 1350
0,8-0,9 2650 1639 38 1,21 1,34 1540 1340
0,9-1,0 2700 1639 38 1,11 1,23 1470 1300
Площадка 3
0-0,1 2690 1353 50 1,22 1,57 2540 1800
0,1-0,2 2700 1209 55 0,79 1,04 1800 1370
0,2-0,3 2700 1209 55 1,18 1,48 1640 1240
0,3-0,4 2700 1209 55 1,04 1,28 1490 1160
0,4-0,5 2640 1505 43 1,30 1,52 1610 1320
0,5-0,6 2640 1505 43 1,07 1,19 1420 1230
0,6-0,7 2640 1505 43 0,96 1,05 1300 1160
0,7-0,8 2640 1505 43 0,96 1,05 1360 1230
0,8-0,9 2640 1585 40 0,94 1,03 1290 1190
0,9-1,0 2640 1585 40 0,96 1,05 1360 1230
Примечание: ОМ - объемная масса, УМ - удельная масса почвы, ПВ - полная влагоемкость, НВ - наименьшая влагоемкость, ВРК - влажность разрыва капилляров, ДЛВ - диапазон легкодоступной влаги
Рис. 2. Внутригрунтовая пустота на месте частично вытаявшего ПЖЛ на глубине 0,6 м от поверхности пашни. Массив Джагарах
(фото И.С. Угарова)
В условиях высокого влагосодержания в СТС на многих участках возможна активизация таких физико-механических и криогенных процессов и явлений, как миграция влаги и сегрегационное льдообразование (шлиры, прослойка льда), самоуплотнение и саморыхление (разуплотнение) грунтов при циклическом сезонном промерза-нии-протаивании и т.д. Формирование вышеотмеченных
ослабленных посткриогенных структур в нижних горизонтах СТС влияет на процессы переноса тепла и влаги в деятельном слое почвогрунтов. Многочисленные посткри-огенные явления (рыхлые грунты СТС с многочисленными микропустотами и воздушными полостями на месте вытаявших шлиров и прослоек льда) широко развиты в деятельном слое таежных и долинных агроземель.
Таблица 6
Водно-физические свойства мерзлотной лугово-черноземной почвы на Хатасском полигоне в долине р. Лены, 1993 г.
Глубина, м ОМ, кг/ м3 УМ, кг/м3 ПВ, мм НВ, мм ВРК, мм ДЛВ, мм Аэрация, %
0,1 1290 2700 52 46 27 19 12
0,2 1310 2700 52 42 24 18 10
0,3 1430 2710 47 36 21 15 11
0,4 1500 2710 45 33 18 15 12
0,5 1680 2660 37 21 11 10 10
0,6 1390 2650 48 10 5 5 38
0,7 1520 2660 43 10 5 5 33
0,8 1520 2660 43 12 6 6 31
0,9 1490 2520 41 15 9 6 26
1,0 1490 2590 43 16 9 7 27
0-0,5 1442 2696 233 178 101 77 11
0-1,0 1462 2656 451 241 135 106 21
Таблица 7
Водно-физические свойства мерзлотной лугово-черноземной почвы грунтовой жилой на полигоне Элесин в долине р. Амги, 1993 г.
Г лубина, м ОМ, кг/ м3 УМ, кг/м3 ПВ, мм НВ, мм ВРК, мм ДЛВ, мм Аэрация, %
0,1 880 2480 65 33 20 13 32
0,2 940 2490 62 31 19 12 31
0,3 920 2410 62 27 16 11 35
0,4 920 2200 58 29 17 12 29
0,5 1000 2250 56 34 20 14 22
0,6 1090 2510 57 32 19 13 25
0,7 980 2480 61 28 17 11 33
0,8 940 2270 59 28 17 11 31
0,9 1090 2510 56 32 19 13 24
1,0 1090 2500 56 31 19 12 25
0-0,5 932 2366 303 154 92 62 30
0-1,0 985 2410 592 333 183 122 29
Очевидна необходимость проведения полевых экспериментальных и лабораторных исследований физико-механических, водно-физических и теплофизических свойств почвогрунтов региона.
5. В эти же годы под влиянием резких изменений элементов климата произошло усиление процессов криогенного неравномерного перераспределения тепла и влаги по профилю СТС и площади, что является также одной из основных особенностей обмена энергии и воды в деятельном слое как естественных, так и агроландшафтов.
Особенности переноса тепла и влаги характеризуются тремя зонами по профилю СТС (рис. 3):
I - верхняя активная зона прихода-расхода тепла и влаги, где происходят наибольшее нагревание, иссушение и впитывание осадков с образованием слоя с «подвешенной влагой», ограниченного снизу глубиной проникновения изотермы + 10°С. Данная зона является слоем наибольших градиентов температуры и влажности. Параметры этой активной зоны весьма динамичны: а) для естественных ландшафтов мощность составляет от 0,25 до 0,75 м, величина влажности - от 4-5 до 50%, температура от 10 до 19°С; б) для агроландшафтов мощность составляет от 0,45 до 0,75 м, величина влажности от 10 до 25%, температура от 10 до 22°С в зависимости от природных факторов (релье-
а б
?, °С И/, %
-4 0 4 8 12 0 20 40 60 80
0 і ....і і .і і_і_і—і —и____і________________і_і—і—і—«—і
0,4 0,8 1.21.6 -
2,0м
Рис. 3. Особенности распределения темпер
1 - лиственничный лес; 2 - березовый лес; 3 - сосновый лес;
I - Ш - номера зон
фа местности, типа мерзлотных земель, кратковременных резких изменений метеоусловий, состава почвогрунтов и т.д.).
II - средняя зона иссушения (криогенного отсоса), слой средних градиентов температуры и подвешенной влаги. Она занимает 35-45% от мощности СТС.
III - надмерзлотная зона повышенного влагосодержа-ния и малых градиентов температуры. Ее мощность составляет 15-20% СТС.
В экстремально увлажненные и теплые годы, например, 1996 и 1997 гг., при осенне-зимнем промерзании имелись условия для развития интенсивной миграции влаги в I активную верхнюю зону с нижних слоев сезонно-талого слоя: достаточно высокие влажность и влаго-запасы СТС, весьма мягкие температурные условия, как аномальное тепло в октябре, средняя суточная температура колебалась от +2 до -6°С и в первой декаде ноября -от -1 до -8°С или за это время температура воздуха была выше нормы на 8-14°С. В ноябре и декабре 1999 г. формировались теплые температурные условия и ранний, мощный снежный покров (0,45-0,50 м) (рис. 4, 5). Они
м
е июня и влажное
ов (б) в начале мая 1997 г.:
предопределили развитие процессов медленного промерзания, интенсивной миграции влаги в I зону СТС, образования крупной, слоистой криогенной текстуры.
По сравнению с орошаемыми пашней и лугом почва таежного участка значительно холоднее. Средняя температура 2-метрового слоя почвы под лесом за вегетационный период на 3,2-3,7°С была ниже, чем на пашне.
6. В 1995-1997 и 1999-2000 гг. на многих участках дождевые воды вызвали увлажнение всей толщи СТС (рис. 6). После продолжительных дождей в августе и сентябре произошло повышение влажности почвогрунтов на глубине от 0,4 м до кровли мерзлоты на межгрядовом понижении под смешанным лесом и на глубине от 1,6 до 2,1 м под ложбинами проседания над тающими ММП и ПЖЛ на пашнях, что обусловило развитие процессов горизонтального переноса воды по элементам мерзлотных форм микрорельефа и мезорельефа, особенно в хорошо дренируемых песчаных, супесчаных и легкосуглинистых грунтах (например, межаласных плакоров Кердюген, Дыргы-абай, Меняйка, Спасская Падь идр.).
ноя.97 ноя.98 ноя.99 ноя.00 дек.97 дек.98 дек.99 дек.00
■ площадка 1 и площадка 2 □ площадка 3 в площадка 7 Рис. 4. Мощность снежного покрова на площадках полигона Спасская Падь в 1997-2000 гг.
а)
б)
0 х х XI I
— пл.1 —□— пл.2 —
II III IV Месяцы -пл.3 —х— пл.7
0х XI XI I II
IV Месяцы
Рис. 5. Динамика высоты снежного покрова на площадках Спасской Пади в зимние сезоны: а) 1997/1998 гг.; б) 1998/1999 гг.
Влажность, мм
Влажность, мм 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0,5 -
1,5
м
—□—12.09.96 ^>—19.09.97 —Ж —01.10.98
м
—й— 15.09.99 —О— 13.09.00
Рис. 6. Распределение осенней влажности почвы по глубине на полигоне Спасская Падь в 1996-2000 гг.: а - площадка 1; б - площадка 2
По приближенным расчетам инфильтрация дождевых вод может вызвать повышение средней годовой температуры грунтов на 0,8-1,0°С, увеличение мощности СТС под естественным лесом на 0,14-0,35 м, а в пахотных участках на 0,52 м. Этими цифрами примерно оценивается роль переноса энергии воды и тепла в колебаниях мощности СТС в 1997-2003 гг. как резуль-
тат активизации криогенеза на резкие изменения элементов климата.
Затраты тепла на протаивание почвогрунтов варьируют от 48 до 149 МДж/м3 (табл. 8). Они выражают межго-довую изменчивость энергетики сезонного протаивания почвогрунтов на различных видах мерзлотных естественных и агроландшафтов.
Таблица 8
Расход тепла на протаивание почв (МДж/м3) на полигоне Спасская Падь
0
Площадки 1997 г. 1998 г. 1999 г. 2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г.
1 48 124 101 121 105 68 56
2 113 101 149 149 119 91 102
3 112 118 122 101 66 61 71
В октябре-ноябре 1997 г. и ноябре-декабре 1999 г. выявлены замедленные темпы сезонного охлаждения и промерзания грунтов, чем процессы промерзания в 1996 и 1998 гг. (рис. 7). Это обусловлено: 1) увеличением энергетики сезонного промерзания (до 25 МДж/м3) и усилением влияния нулевой завесы в верхнем слое активных фазовых переходов воды в лед вследствие относительно повышенных осенних влагозапасов деятельного слоя;
2) мягкими температурными условиями начала зимы;
3) образованием более глубокого снежного покрова (0,350,47 м) и его отепляющим влиянием (рис. 4, 5).
Рис. 7. Термоизоплета 2-метрового слоя почвогрунтов площадки 3 на полигоне Спасская Падь: а) 1998 г.; б) 1999 г.
7. В октябре-декабре 2000 г. зафиксированы более ускоренные процессы охлаждения и промерзания грунтов, чем в 1997 и 1999 гг. Это объясняется, во-первых, относительно холодными температурными условиями воздуха в начале зимы 2000 г., во-вторых, малой мощностью снежного покрова (рис. 4). Высота снежного покрова в декабре была всего 0,20-0,24 м. Следовательно, заметно снизилось его отепляющее влияние.
В 1997-2000 гг. на площадках полигона Дыргыабай отмечено более резко выраженное неравномерное снего-отложение по элементам мерзлотных форм микрорельефа (рис. 8).
0,8 п
0,7
0,6
5 0,5 га"
§ °,4 .о
т 0,3 0,2 0,1 0
0,6 0,5 0,4 + 0,3 0,2 + 0,1 0
■ Лес
□ Пашня
■ Просадка
декабрь январь февраль март
б)
октябрь ноябрь декабрь январь февраль март апрель
1,0
0,8
т 0,4 Н 0,3 0,2 0,1 0,0
- в)
> г 1 г г г
октябрь ноябрь декабрь январь февраль март
Рис. 8. Динамика снегонакопления на массиве Дыргыабай:
а) 1997/1998 гг.; б) 1998/1999 гг.; в) 2000/2001 гг.
Таким образом, мощность снежного покрова в конце холодного сезона колебалась в термопросадках от 0,56 до 0,68 м, а на открытом участке пашни - от 0,45 до 0,5 м. Анализируя материалы полевых исследований, приближенно можно оценить, что увеличение снега на 15-20 см приводит, во-первых, к замедлению сезонного промерзания, т.е. смыкания слоя сезонного промерзания с многолетней мерзлотой на 15-20 дней, во-вторых, к повышению средней годовой температуры грунтов деятельного слоя на 0,5-10С. Однако сложное проявление роли снежного покрова на формирование и динамику температуры и мощности деятельного слоя недостаточно изучено в условиях резкого изменения климата, образования различ-
ных мерзлотных форм микрорельефа в условиях скачкообразного изменения элементов климата.
Актуальны дальнейшие исследования по изучению роли снежного покрова в водно-тепловых, криогенных и гидрологических процессах и низких температур воздуха. При этом необходимо установить пороговую величину мощности снежного покрова, определяющую его охлаждающее и отепляющее влияние на термический режим деятельного слоя в условиях глобального изменения климата и активизации криогенных процессов.
8. Можно отметить следующие особенности формирования реакции сезонно-талого слоя на резкие изменения климата и антропогенного воздействия.
1989
1992
1995
Межгодовая изменчивость мощности СТС не превышает 20% от средней нормы. В 1989-2004 гг. тренд возрастания мощности СТС на полигоне Рожа составляет: 1,071,27 см/год в лесу и 1,57 см/год на лугу (рис. 9). Отрицательные тренды на залежи - от -1,87 до -2,5 см/год. Такая же закономерность наблюдается на полигоне Спасская Падь. В лесу тренд возрастания мощности СТС составляет от 1,12 до 3,5, на открытых луговых пространствах уменьшение от 1,0 до 5,0 см/год (рис. 10). Для антропогенных участков тренд СТС может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от метеороло-
- гических и ландшафтных условий, характера поверхности, продолжительности застаивания талых вод и т.д. годы
1998
2001
2004
-Луг
-Просадка Линейный (Залежь)
-Залежь
-Линейный (Лес) ■ Линейный (Луг)
-Лес
■ Линейный (Просадка)
Рис. 9. Межгодовая изменчивость глубины сезонного протаивания почвогрунтов на полигоне Рожа,
левобережье р. Лены
Тренды: пл.1 = 3,50; пл.2 = 1,12; пл.5 = -5,0; пл.7 = -1,0 см/год.
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 годы
—Пл. 1 □ Пл. 2 й Пл. 5
X Пл. 7 — - - Линейный (Пл. 1) — — Линейный (Пл. 2)
- - - - Линейный (Пл. 5)
Рис. 10. Межгодовая изменчивость СТС на полигоне Спасская Падь
Вне зоны «вечной мерзлоты» роль почвенной влаги в развитии и росте растений достаточно освещена в многочисленных работах [9, 10, 11, 12 идр.]. Ими разработаны теоретические вопросы биолого-физиологических и агротехнических принципов регулирования различных уровней водоснабжения, оптимизации режима орошения и урожая сельскохозяйственных культур. Так в почве скорость движения воды должна обеспечить необходимую скорость поглощения воды корнями растений, чтобы не создавался водный дефицит в тканях растений. Если приток воды в корневой системе значительно интенсивнее, чем ее поглощение, то создается избыток влаги в корнеобитаемом слое почвы, что, в свою очередь, вызывает ухудшение аэрации, недостаток кислорода и торможение жизнедеятельности растений. При избыточной влажности почвы подавляется интенсивность дыхания корней и замедляется отвод углекислоты в атмосферу, развиваются анаэробные процессы. При этом задерживается рост и развитие растений, снижается продуктивность естественных и сельскохозяйственных растений. Таким образом, существуют оптимальные нижние и верхние пределы влажности почвы для роста и развития растений. Абсолютные величины оптимума увлажнения почв зависят от состояния развития растений, площади листовой поверхности, соотношения наземной и подземной частей растений в период их вегетации. При высокой интенсивности солнечной радиации и испарении нарушается водный баланс растения, возникает постоянный водный дефицит листовой поверхности.
Влага в почве выше нижнего предела (границы) оптимальной влажности W считается наиболее подвижной и
ШИ1
доступной в снабжении растений водой. Диапазон влажности почвы (от W . до W ), при котором наблюдается максимальная транспирация и рост растений может варьировать от 55-60% НВ (наименьшая влагоемкость в почве) до 100-110% НВ в зависимости от колебания метеорологических, почвенных условий, уровня агротехники, видов и сортов культур. Диапазон оптимального увлажнения почвы и влагообеспеченности растений, особенности динамики влагозапасов деятельного слоя носят зональный, региональный и местный характер. Их необходимо установить в каждом крупном регионе криолитозоны Якутии.
В области «вечной мерзлоты» недостаток почвенного тепла - основной лимитирующий фактор в росте и развитии как естественных растений, так и сельскохозяйственных культур, особенно в их начальные периоды вегетации вследствие близкого залегания холодного экрана - многолетней мерзлоты [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 идр.]. В отличие от аборигенных видов луговых трав овощные и кормовые культуры более требовательны к термическим условиям корнеобитаемого слоя почвы. Низкие температуры угнетают жизнедеятельность почвенной микрофлоры, снижают микробиологическую активность почв и урожайность возделываемых культур. Они отрицательно влияют на доступность, поступление и превращение азота. Так, многие сельскохозяйственные культуры при понижении темпера-
туры почвы до +5°С во все свои фазы развития замедляют потребление питательных веществ: азота, фосфора, калия. Например, при температуре почвы до 10°С количество гидролизуемого азота на опытном участке значительно сократилось, чем при температуре 20°С [14 и др.].
Можно отметить следующие основные особенности температурного режима и теплообеспеченности мерзлотных почв при различных погодных условиях, режимах орошения кормовых культур и луговых трав.
После схода снежного покрова (3-5 мая) почва начинает медленно оттаивать и нагреваться, т.к. в течение долгой зимы она аккумулирует огромный запас холода. Кроме того, до конца мая и в начале июня часто бывают возвраты холодов и ночные заморозки (до -3-5°С). Всходы холодостойких естественных луговых трав наблюдаются в среднем 1520 мая, когда луговые почвы оттаивают до глубины 0,3-0,4 м и прогреваются до 5°С. При ранних весенних сроках посева (20-30 мая) сельскохозяйственные культуры испытывают недостаток почвенного тепла для нормального роста и развития. Они сильно страдают при вторжении арктических холодных воздушных масс и сильных заморозках.
Естественно, что тепловое состояние различных слоев почвы зависит от метеорологических, мерзлотных условий данного сезона и местности (района). При благоприятной погоде в конце мая пахотный слой нагревается до 7-10°С. Так называемая активная температура почвы (выше 10°С) во второй половине лета может наблюдаться в слое от поверхности до глубины 0,6-0,8 м, а биологическая (выше 5°С)
- до 0,9-1,2 м. Активная температура корнеобитаемого слоя (0,5 м) держится до второй половины августа. Следовательно, сельскохозяйственные культуры при средних погодных условиях Центральной Якутии достаточно обеспечены почвенным теплом в сравнительно короткий период (с 1-5 июня до 10-15 августа), т.е. лишь в течение 60-70 дней.
Между тем на неорошаемых полях в жаркую засушливую погоду поверхность почвы перегревается, а температура ее может достигнуть 50-53°С [6]. Такая чрезмерно высокая температура поверхности пагубно отражается на жизнедеятельности растений, и они нередко выгорают. Понижение температуры пахотного слоя (0-20 см) играет положительную роль, предохраняя корни растений от перегрева в жаркие дни. Температура корнеобитаемого слоя (0-50 см) при этом оказывается достаточно высокой в основные периоды вегетации кормовых культур и позволяет получить их нормальные урожаи при орошении.
В свете вышесказанного установление закономерностей температурного и водного режима, теплообеспеченности и водообеспеченности мерзлотных почв и ландшафтов и их классификация имеют принципиальное научное и практическое значение.
Нами проведена систематизация термического и водного режимов мерзлотных почв Якутии по их основным типам (табл. 10). В целях сельскохозяйственного освоения по гидротермическому режиму мерзлотные почвы можно разделить на пять групп. При этом использованы параметры характеристик водного и термического режимов (табл. 11, 12).
■£»
СТ>
г:
Таблица 10
Экологически значимые гидротермические показатели основных типов мерзлотных почв
Тип почвы Температура на глубине 20 см (С0) Слой почвы с температурой, м Влаго-■запас 0-0,5 м слоя, мм Глубина протаивания почв, м Подтип термического и водного режима
Выше 5° Выше 10°
июнь июль сере- дина июня сере- дина июля мак- симум сере- дина июня сере- дина июля макси- мум сере- дина июня сере- дина июля мак- симум
1. Таежные оподзоленные, пойменные дерновые, чер-ноземовидые, дерновые маломощные, лугово-чер-ноземные маломощные супесчаные и легкосуглинистые 10-14 16-20 0,65- 0,75 1,0- 1,1 1,1-1,2 0,25- 0,35 0,5- 0,6 0,6-0,7 30-50 1,1- 1,2 1,6- 1,7 2,0-2,5 Умеренно-теплый; недостаточно влажный
2. Пойменные дерновые, дерново-луговые, луговочерноземные, таежно-па-левые (пахотные) суглинистые 6-12 12-16 0,55- 0,65 0,8- 0,9 1,0-1,1 0,2- 0,3 О ,Р у-* 0,5-0,6 50-75 0,85- 0,95 1,2- 1,4 1,6-1,9 Умеренно-холодный; умеренно-влажный
3. Дерново-луговые, пойменные дерновые луговые суглинистые (сенокосы) 4-8 8-12 0,3- 0,4 0,5- 0,6 0,6-0,9 0,1- 0,15 0,2- 0,3 0,3-0,5 75-125 0,6- 0,8 1,0- 1,1 1,4-1,5 Холодный; влажный
4. Торфянисто-болотные, лугово-болотные, пойменные лугово-болотные, таежно-палевые заболоченные, сапропели маломощные 3-6 0,1- 0,2 0,2- 0,3 0,05- 0,1 0,1- 0,2 >125 0,4- 0,5 0,5- 0,7 0,6-1,0 Сильно холодный; избыточно влажный
8-10 0,3-0,5 0,2-0,3
5. Торфяно-болотные, пойменные болотные и сапропели мощные 0-2 2-3 0,03- 0,05 0,1- 0,15 0,15- 0,20 > 125 0,2- 0,3 0,3- 0,4 0,4-0,5 Чрезмерно холодный; избыточно влажный
ВЕСТНИК ЯГУ, 2005, том 2, № 3
Таблица 11
Характеристика термического и влажностного режима мерзлотных почв
№ Характеристика термического режима почв Температура почв на глубине 0,2 м (С0) Глуби- на сезон- ного прота- ивания, м Характеристика водного режима почв Водные констан- ты Вели- чина продук- тивной влаги, мм
1 Теплый 20-25 > 2,5 Сухой <ВРК < 30
2 Умеренно- теплый 15-20 2-2,4 Недостаточно влажный < 0,7НВ 30-50
3 Умеренный 10-15 1,6-1,9 Умеренно- влажный 0,7- 0,9НВ 50-75
4 Холодный 6-10 1,2-1,5 Избыточно влажный НВ-ПВ 75-125
5 Очень холодный 3-6 0,6-1,1 Заболоченный (болото) ПВ > 125
6 Чрезмерно холодный 1-3 0,3-0,5
* ВРК, НВ и ПВ - влажность разрыва капилляров, наименьшая и полная влагоемкости
Таблица 12
Типизация мерзлотных почв по периоду гидрологической активности и весеннему влагозапасу
в северной зоне криолитозоны
Период гидрологической активности на глубине 0,2 м Весенний запас в слое 0-0,5 м
дни мм
1. Очень краткопериодные < 4060 С очень низким запасом < 30
2. Краткопериодные 60-80 С низким запасом (недостаточно влажный) 30-50
3. Среднепериодные 80- 100 Со средним запасом (умеренно влажный) 50-75
4. Длиннопериод- ные > 100 С высоким запасом 75- 125
5. Очень длиннопериодный С очень высоким запасом (избыточно влажный) > 125
Более высокие температуры характерны для супесчаных и легкосуглинистых почв как на пахотных, так и луговых участках. За минимальную температуру начала вегетации холодостойких видов кормовых культур (овес, рапс и др.) и луговых трав принимают температуру +5°С, а для нормального их роста - активную температуру +10°С. В конце мая, в период массового отрастания трав, температура +10°С наблюдается до глубины 0,4 м, в середине июня (в период максимального роста трав) - до 0,650,75 мив первой половине июля - 1,0-1,1 м. Гидротермический режим этой группы мерзлотных почв нужно отнести к умеренному теплому и недостаточно влажному подтипу. Они малоплодородны и, несмотря на их умеренный термический режим, при орошении дают сравнительно
невысокий урожай - 10-20 ц/га сена, 150-200 ц/га зеленой массы кормовых культур. Их используют, в основном, под сенокосы и пастбища.
Во вторую группу почв, имеющих умеренно-холодный термический режим и умеренно влажный режим, включены пойменные дерновые, мерзлотные черноземы, лугово-черноземные, таежные палевые типичные и палевые остаточно-луговые (пахотные) суглинистые (табл. 10). Они обладают потенциально высоким плодородием и пригодны для возделывания всех районированных сельскохозяйственных культур. По агропроизводственной группировке (шкале оценок) вторая группа почв относится к лучшим и хорошим почвам в Якутии [20]. В передовых хозяйствах, где осуществляются рациональные режимы оро-
и 47
шения, с этих земель получают высокие урожаи сельскохозяйственных культур: 300-500 ц/га зеленой массы кормовых культур, овощей - 500-700 ц/га, картофеля - 150300 ц/га и сена - 30-50 ц/га [6]. Однако при орошении, особенно с повышенными нормами (400-450 м3/га), мерзлотные палевые осолоделые почвы подвержены интенсивным разрушениям (агрономически ценных микроагрегатов, уплотнение пахотного слоя и т.д.).
Достаточно плодородными являются также почвы, выделенные в третью группу: аласные дерново-луговые и пойменные дерновые луговые суглинистые (сенокосы). Их гидротермический режим можно характеризовать как холодный и влажный. У этих почв в середине июня, в период максимального роста трав, до температуры выше 5°С нагревается только верхняя половина (0,3-0,4 м) корнеобитаемого слоя. Ко времени покоса трав активная температура выше 10°С наблюдается лишь до глубины 0,20,3 м. Таким образом, термический режим хорошо плодородных почв, входящих в третью группу, является не совсем благоприятным для получения высокого урожая. Поэтому при орошении они дают 15-20 ц/га сена. Однако передовой опыт аграрников республики показывает, что эти почвы имеют большие потенциальные возможности получения высоких урожаев - до 30-40 ц/га.
Наиболее низкие температуры и избыточные увлажнения характерны для торфяно-болотных, пойменных лугово-болотных, мощных сапропелевых мерзлотных почв. Ко времени покоса трав температура выше 5°С на-блюдаетсядо глубины 0,3-0,4 м, атемпература выше 10°С
- только до 0,1-0,2 м. Термический режим этих почв является крайне неблагоприятным для роста и развития тра-вянистых растений. Здесь растут, как правило, влаголюбивые и холодостойкие растения.
Мерзлотные сапропели отличаются более высокой плодородностью среди луговых почв и при орошении дают высокий урожай - 30-40 ц/га сена.
Работа выполнена по теме 2.4.1.5, блок 1 «Процессы преобразования криогенных ландшафтов в изменяющихся природных условиях».
Заключение
Результаты предварительной систематизации гидротермического режима мерзлотных почв по величинам их влажности и влагозапасов, температуры и протаивания дают реалистичные представления о теплообеспеченно-сти и влагообеспеченности естественных и агроландшафтов (сельхозугодий) и их биопродуктивности (урожайности) в условиях криолитозоны Центральной Якутии.
Очевидно, выявленные выше цифры внутрисезонной и межгодовой изменчивости параметров деятельного слоя почвогрунтов (СТС, СМС), особенно водно-теплофизических свойств, влагозапасов, энергетики слоя сезонного промерзания и протаивания не являются пределом. Необходимо продолжить изучение отмеченных выше оригинальных криогенных, почвенных, водно-тепловых процессов и явлений, а также пространственно-временной
изменчивости основных характеристик деятельного слоя почв и ландшафтов криолитозоны Якутии на локальном и региональном уровнях.
Литература
1. Гаврильев П.П., Мандаров А.А. Водно-тепловой режим почв в Центральной Якутии при лиманном орошении // Сезонное протаивание и промерзание грунтов на территории Северо-Востока СССР. М.: Наука, 1966. С. 111-120.
2. Гаврильев П.П., Мандаров А.А. Лиманное орошение лугов в Центральной Якутии. Новосибирск: Наука, 1976. 165 с.
3. Гаврилова М.К. Климат и многолетнее промерзание горных пород. Новосибирск: Наука, 1978. 214 с.
4. Павлов А.В. Теплофизика ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1979. 285 с.
5. Саввинов Д.Д., Кононов К.Е. Тепловой баланс луговой растительности и климат мерзлотных пойменных почв. Новосибирск: Наука, 1981. 176 с.
6. Гаврильев П.П., Мандаров А.А., Угаров И.С. Гидротермические мелиорации сельскохозяйственных угодий в Якутии. Новосибирск: Наука, Сибирское отд-ние, 1984. 200 с.
7. Скрябин П.П., Варламов С.П., Скачков Ю.Б. Межгодовая изменчивость теплового режима грунтов района Якутска. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. 143 с.
8. Мандаров А.А., Скрябин П.П., Угаров И.С. Теплопроводность некоторых типов мерзлотных почв Центральной Якутии // Термика почв и горных пород в холодных регионах. Якутск, 1982. С. 69-80.
9. Роде А.А. Основы учения о грунтовой влаге. Л.: Гидроме-теоиздат, 1965. 119 с.
10. Долгов С.П. Иследование подвижности почвенной влаги и ее доступность для растений. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1948. 208 с.
11. Алпатьев AM. Влагооборот культурных растений. Л.: Гидрометеоиздат, 1954. 184 с.
12. Алпатьев А.М. Биоклимат и поливной режим культурных растений // Биологические основы орошаемого земледелия. М.: Наука, 1966. С. 123-137.
13. Дадыкин В.П. Особенности поведения растений на холодных почвах. М.: Изд-во АН СССР, 1952. 279 с.
14. Коровин А.П. Роль температуры в минеральном питании растений. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 283 с.
15. ДимоВ.П. Тепловой режим почв СССР. М., 1972. 359 с.
16. Гаврильев П.П. Рекомендации по определению режима лиманного орошения лугов и пастбищ в Центральной Якутии. Якутск, 1976. 28 с.
17. Гаврильев П.П. Мелиорация мерзлотных земель в Якутии. Новосибирск: Наука, 1991. 182 с.
18. Саввинов ДД. Гидротермический режим почв в зоне многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука, 1976. 254 с.
19. Чигир В.Г. К вопросу об охране почвенного покрова северных территорий // Прогноз изменения криогенных почв под влиянием хозяйственного освоения территорий. Пущино: Научный центр биологических исследований АН СССР, 1980. С. 188-190.
20. Еловская Л.Г., Коноровский А.К. Районирование и мелиорация мерзлотных почв Якутии. Новосибирск: Наука, 1978. 175 с.
P.P. Gavriliev, I.S. Ugarov, PV Efremov
Cryogenesis and Variability of Active Layer Parameters in Natural and Agricultural
Landscapes, Central Yakutia
The paper presents the results of short summary and analysis of the investigations on the Permafrost Institute’s research topics conducted at the Kerdyugen, Dyrgybai, Spasskaya Pad sites during the period from 1989 to 2004. Briefly discussed are some results of the investigations on cryogenic processes, heat (energy) and water transfer in the active layer on the key plots of natural geosystems and agricultural landscapes in the study areas. The role of water and water availability, and heat and heat availability as the primary ecologically important parameters of permafrost soils and landscapes is estimated.
•4MMSr
УДК 502: 551. 345
А.С. Любомиров
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ КОМПЛЕКСОВ В ТУНДРАХ ЯКУТИИ В СВЕТЕ ПРОБЛЕМ ТЕРМОКАРСТА
На основе анализа естественно-геокриологической обстановки низменностей Северо-Востока делается вывод об устойчивости высокольдистых многолетнемерзлых пород. Устойчивыми к проявлению криогенных процессов оказались и обводненные полигоны с повторно-жильными льдами как основы развития термокарста. Влияние слоя воды сказывается до определенной глубины, при которой невозможно образование талика.
При оценке реакции природных комплексов вообще и особенно природных комплексов криолитозоны на внешние воздействия все чаще используется понятие устойчивости. Это связано со значительным развитием географических и мерзлотных представлений о функционировании природных ландшафтов. Прогноз состояния северных природных комплексов становится все более актуальным в связи с интенсивным хозяйственным освоением северных территорий. Устойчивость северных ландшафтов является также основной проблемой в изучении озерных территорий Субарктики и проблем термокарста. Поэтому большое внимание исследователей привлечено к вопросам устойчивости льдистых отложений тундровых природных комплексов как показателя их естественноисторического развития. Это направление в изучении многолетнемерзлых пород (ММП) находится в стадии становления, теоретически и методически подходы к изучению устойчивости субарктических природных комплексов характеризуются, в основном, качественными характеристиками. Остаются неразработанными в должной мере ни суть понятия устойчивости, ни критерии ее оценки.
С точки зрения устойчивости высокольдистых отложений тундровых ландшафтов Северо-Востока в естественных условиях требует объяснения наличие огромной массы тундровых водоемов, и если считать термокарстовую гипотезу происхождения озер состоятельной, то и мерзлые толщи тогда однозначно можно отнести к неустойчивым, т.к. на отдельных участках субарктических низменностей озерность достигает 60-70%. Из этого
следует, что проблема устойчивости ММП и термокарста имеет общие корни.
В настоящее время существуют два подхода к характеристике устойчивости многолетнемерзлых пород (ММП). В первом устойчивость ландшафтов рассматривается как реакция изменения характера и параметров природного комплекса Субарктики во времени и пространстве при различных видах антропогенового воздействия. В работах этого направления тундровые ландшафты признаются как энергетически неустойчивые за счет термокарста на всех стадиях его развития.
Под устойчивостьюповерхности Граве Н.А. [1] понимает ее способность противостоять появлению или активизации криогенных и посткриогенных процессов (пучение, морозобойное растрескивание, тепловые осадки грунтов, термокарст, солифлюкция) при техногенных воздействиях на поверхность осваиваемых территорий области вечной мерзлоты. При этом наиболее льдистые низкотемпературные осадки субарктических низменностей являются наименее устойчивыми к проявлению тепловых процессов. Эта точка зрения поддерживается многими исследователями.
Н.Ф. Полтев [2] считает мерзлые льдистые толщи неустойчивыми в естественном состоянии и приводит следующую зависимость: чем дальше на север, тем меньше наблюдается случаев возникновения термокарста на многолетнемерзлых грунтах с сегрегационными линзообразными льдами, но все чаще термокарст связан с вытаива-нием жильного льда. При таком утверждении преобладает широко распространенное мнение о «хрупкости»,
