Особенности температурного режима холодных мерзлотных почв на южном пределе криолитозоны (Европейский северо-восток России) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.525.5 (551.345)

ОСОБЕННОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ХОЛОДНЫХ МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ НА ЮЖНОМ ПРЕДЕЛЕ КРИОЛИТОЗОНЫ (ЕВРОПЕЙСКИЙ СЕВЕРО-ВОСТОК РОССИИ)*

© 2014 г. Д. А. Каверин, А. В. Пастухов, Г. Г. Мажитова

Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, 167982, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28 e-mail: [email protected]

Исследован температурный режим мерзлотных почв, характеризующихся наиболее холодным температурным режимом на южном пределе криолитозоны европейского Северо-Востока России. В условиях южной тундры мерзлотные почвы с холодным температурным режимом приурочены к торфяным и минеральным поч-вообразующим породам. Охарактеризована сезонная и многолетняя динамика температуры их сезонно-талых и подстилающих многолетнемерзлых слоев. Мерзлотные почвы охарактеризованы по основным температурным показателям.

Ключевые слова: температурный режим, холодные мерзлотные почвы, многолетнемерзлые породы, сезонно-талый слой.

ВВЕДЕНИЕ

И.В. Забоева всегда уделяла особое внимание стационарным исследованиям режимов функционирования таежных и тундровых почв, в том числе термического режима. Непосредственно ею исследован температурный режим глееподзолистых почв северной

* Работа выполнена при поддержке проекта Thermal State of Permafrost (TSP) Университета Аляски (Фербенкс, США), проекта Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM), гранта РФФИ № 14-05-31111 "Многолетнемерзлые торфяники Большеземельской тундры: экологическое состояние почвенно-мерзлотного комплекса при климатическом потеплении в XXI веке".

тайги (Забоева, 1975). В тундровой зоне изучением температурного режима тундровых почв занимались А.В. Кононенко (1986) и Г.Г. Мажитова (2008). А.В. Кононенко (1986) охарактеризован летний гидротермический режим двух целинных тундровых почв, без характеристики их зимних и годовых параметров и связи разнообразия режимов на ландшафтном уровне. Г.Г. Мажитовой (2008) детально рассмотрен температурный режим 11-и почв, формирующихся в разнообразных ландшафтах равнинной и горной тундры, приуроченных к мерзлым и талым участкам. В работе показано резкое различие зимних и годовых температурных показателей мерзлотных и немерзлотных почв при сходстве летних показателей в корнеобитаемом слое. При этом исследования температурного режима мерзлотных почв ограничивались мощностью сезонно-талого слоя (СТС).

С 2007 г. в юго-восточной части Большеземельской тундры нами начаты наблюдения за температурой основных типов мерзлотных почв. Мониторинг осуществляется в пределах СТС и в верхнем слое многолетнемерзлых пород (ММП) (до глубины 120 см). Это позволяет оценить отклик почв с различными температурными режимами на межгодовую динамику температуры воздуха, а в перспективе при наличии более длительного ряда наблюдений и на изменение климата. Из-за глобальных изменений климата почвы, ранее служившие резервуаром для стока углерода, могут стать его источником и обеспечить дополнительное поступление углеродсодержащих парниковых газов в атмосферу, что, в свою очередь, может ускорить процесс потепления (Davidson & Janssens, 2006). Субарктика европейского Северо-Востока является одним из особенно чувствительных к климатическим изменениям регионов нашей страны (Оберман, Шеслер, 2009; Mazhitova et al., 2004). При этом наибольшие темпы деградации мерзлоты отмечаются в восточной части Тимано-Печорского региона (Оберман, Шеслер, 2009). В пределах южной тундры и лесотундры распространены острова и массивы преимущественно высокотемпературных ММП, относительно нестабильных при потеплении климата. Однако на южном пределе криолитозоны существуют условия для функционирования почв с относительно суровым температурным режимом. Наиболее холодные по температурному режиму почвы (далее - холодные мерзлотные почвы) формируют-

ся локально на торфяных, а также минеральных буграх, характеризующихся наименьшей мощностью снежного покрова в тундре.

Цель статьи - охарактеризовать основные параметры температурного режима холодных мерзлотных почв и подстилающих ММП южной тундры.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследование температурного режима почв проводили на двух участках с тундровой растительностью: в подзоне южной (кустарниковой) тундры - в бассейне р. Большая Роговая и в северной лесотундре (бассейн р. Сейда). Район исследований относится к бассейну р. Усы - притока р. Печоры (европейский Северо-Восток России), к зоне распространения прерывистой многолетней мерзлоты (Геокриологическая карта, 1998) со среднегодовыми температурами ММП 0... -2°С. На территории преобладают комплексы поверхностно-глеевых (мерзлотных и немерзлотных), торфяно-глеевых и болотных мерзлотных почв (Государственная почвенная карта., 2000).

По данным метеостанции Воркута, среднегодовая температура воздуха в районе проведения работ -5.7°С (1947-2011 гг.). Температурные показатели воздуха за годы наблюдений (20072011 гг.) не выходили за пределы среднемноголетних значений (табл. 1). Среднегодовое количество осадков за период исследований было выше среднемноголетних - 645 мм/год. При расчете годовых значений температуры воздуха и осадков использовали данные за гидрологический год (1 октября-30 сентября).

Объектами исследования послужили 4 профиля наиболее холодных по температурному режиму мерзлотных почв, формирующихся на минеральных и торфяных отложениях в условиях южной тундры европейского Северо-Востока России (табл. 2). В соответствии с классификацией температурных режимов (Димо, 1972) все профили относятся к мерзлотному типу температурного режима по большинству параметров. Для них характерна "сливающаяся" мерзлота (Геокриология СССР, 1988).

На минеральных массивах (наветренные вершины и склоны увалов, бугры и т.д.) южной тундры холодные мерзлотные почвы формируются преимущественно под мохово-лишайниковой растительностью.

Таблица 1. Климатические показатели (по данным метеостанции Воркута)

Гидроло- Среднего- Сумма средне- Годовая Сумма Сумма

гический довая тем- суточных тем- сумма осадков осадков за

год пература ператур возду- осадков, за июнь- декабрь-

(01.10- воздуха, °С ха, °С • дней мм сентябрь, февраль,

31.09) > 0°С >10°С мм мм

2007/2008 -3.6 1126 802 525 195 132

2008/2009 -4.5 1046 701 613 252 124

2009/2010 -7.0 1 995 602 776 376 129

2010/2011 -4.1 1002 558 668 215 88

Среднее -4.8 1042 666 645 259 118

за 2007-

2011

Среднее -5.7 1015 536 523 225 106

много-

летнее

(1947-

2011)

Диапазон -2.8...-9.9 647- 0-1059 294-762 86-393 16-303

(1947- 1310

2011)

Глубина СТС в минеральных почвах варьирует от 50 до 120 см. Торфяные мерзлотные почвы широко распространены в пределах плоскобугристых болот, они приурочены к вершинам торфяных бугров с мощностью торфа более 40 см. Глубина сезонного протаивания в торфяных почвах не превышает 40-60 см.

Параметры температурного режима приведены для двух профилей минеральных (профили 1, 2) и двух - торфяных мерзлотных почв (профили 3, 4) (табл. 2). Измерения температуры проводили с помощью цифровых логгеров HOBO, установленных на глубине 0, 20, 50, 100 (120) см и запрограммированных на 8 измерений в сутки. Датчики логгеров в каждом профиле закрепляли на деревянной рейке, погруженной в скважину (отверстие) диаметром 3 см и глубиной 100-120 см. Глубину сезонного протаива-ния измеряли с помощью градуированного металлического зонда в конце вегетационного периода. Измерение мощности снежного покрова проводили в марте. Температуру воздуха для расчетов брали по метеостанции Воркута. Температурные исследования почв проводили в период с 2007 по 2011 гг.

сл м

Таблица 2. Характеристика объектов исследования

Номер и индекс Координата Ландшафт Глубина Средняя Строение Название почвы Название

почвенного СТС, см максима профиля (Классификация почвы по

профиля льная могцност ь снега, см почвы почв России, 2004) тексту статьи

1. Профиль И58 67°19' с.ш., Бассейн р. Б. 100 <30 Т (0-20)- Торфяно- Торфяно-

62°24' в.д. Роговая. В (20-37)- глеезем глеезем

Минеральный ВГ (37-53)- криогенно- криогенно-

бугор (пальза), ВС (53-70)- ожелезненный ожелезненный

кустарничково- Сё (70-85+) на слоистых

мохово-лишай- тяжелых

никовая тундра суглинках

2. Профиль 1171 67°20' с.ш., Бассейн р. Б. 110 <20 Т (0-6у- Слоистая Слоистая

62°20' в.д. Роговая. I (6-12)- аллювиальная аллювиальная

Плоская II (12-17)- на слоистых

вершина III (17-20)- суглинисто-

минерального IV (20-32)- песчаных

бугра (пальзы), V (32-50)- озерно-ал-

кустарничково- VI (50-71)- лювиальных

мохово-лишай- VII (71-80)- отложениях

никовая тундра VIII IX (80-89)-(90-110)-

Х(110+)

01

¡а

й

Й я о*

£ Л и

п>

о

3

я я

а

я 2

СО

СО §

го «

м

ы о

СО Е

-О

'Л

1Л

оо

Номер и индекс Координата Ландшафт Глубина Средняя Строение Название почвы Название

почвенного СТС, см максима профиля (Классификация почвы по

профиля льная могцност ь снега, см почвы почв России, 2004) тексту статьи

3. Профиль ЭЗ 67°03' с.ш., 62°56' в.д. Бассейн р. Сейда. Плоская вершина торфяного бугра, кустарничково- мохово-лишай- никовая растительность, оголенные торфяные пятна 52 <10 О (0-7)-Т.Т (7^10)-Т2 (40-52)-ТЗ (52-100+) Сухоторфяная Сухоторфяная (участок Сейда)

4. Профиль И92 67°19' с.ш., 62°23'в.д. Бассейн р. Б. Роговая. Выпуклая вершина торфяной бугра, кустарничково-моховая 45 <10 О (0-5)-Т.Т (5-26)-Т2 (26—41)-ТЗ (41-57)-Т4 (57-100+) Сухоторфяная Сухоторфяная (участок Б.Роговая)

И

5

н

4

го

а

о-

Л вз го И I О п о

5 X

0 н

1

н

02

СО СО

£

л

р: го м Р5

к» о

СО Е в

(Л

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Зимний температурный режим почв. Мерзлотные почвы в регионе формируются на относительно наветренных участках, где максимальная мощность снега обычно не превышает 50 см (Ма-житова, 2008). Сезонное промерзание их верхней части начинается в октябре с приходом устойчивых отрицательных температур воздуха. В ноябре среднемесячные температуры верхних слоев СТС уже становятся отрицательными (рис. 1, 2). С глубиной темпы промерзания замедляются, в горизонтах средней (20-50 см) и нижней частей (50-120 см) профиля могут фиксироваться нулевые завесы продолжительностью до 2 месяцев. Нулевые завесы - длительно сохраняющиеся на определенной глубине постоянные близкие к 0°С температуры (Геокриология СССР, 1988). Наибольшая продолжительность периода субнулевых температур отмечается на контакте СТС-ММП.

Диапазон сумм отрицательных температур исследуемых почв на поверхности составил -362...-2508°С • дней (табл. 3). Маломощный снежный покров (0-30 см) способствует сильному охлаждению почв. Наибольшее охлаждение ММП происходит в торфяных буграх на глубине 100-120 см.

Таким образом, создаются наиболее благоприятные условия для зимнего охлаждения почв и подстилающих многолетнемерз-лых пород. Это в определенной степени способствует сохранению ММП в современных условиях меняющегося климата.

Холодные мерзлотные почвы сильно реагируют на изменения температуры воздуха зимой, наиболее холодным месяцем является январь или февраль (рис. 2). Максимальное охлаждение ММП отмечается в период с февраля по апрель. Среднемесячные температуры ММП для самого холодного месяца варьируют в пределах от -4 до -12 °С.

Зимний К-фактор, т.е. отношение сумм температур <0 °С на поверхности почвы к таковым в воздухе, сильно зависит от высоты снежного покрова. Значения зимнего К-фактора, отражающего поступление холода в почвы, для рассматриваемых профилей варьирует в диапазоне 0.44-0.76, что в целом характерно для верхней части диапазона мерзлотных почв (Мажитова, 2008).

- 0 см---20 см -50 см--80 см -120 см

t °с

IX XI I III V VII IX XI I III V VII IX XI I III V VII IX XI I III V VII IX

аллювиальной почвы.

- 0 см---20 см -50 см--80 см -120 см

IX XI I III V VII IX XI I III V VII IX XI I III V VII IX XI I III V VII IX

Таблица 3. Суммы отрицательных среднесуточных температур почв и многолетнемерзлых пород, °С • дней_

Глубина, см Гидрологический год

2007-2008 2008-2009 2009-2010 2010-2011

1. Торфяно-глеезем криогенно-ожелезненный

0 -1289 -1843 -1720 -1409

20 -943 Не опр. -1405 Не опр.

50 -803 -802 -1149 »

100 -647 Не опр. -970 »

2. Слоистая аллювиальная почва

0 -1036 -1324 -1628 -1246

20 -805 -858 -1260 -1030

50 -606 -644 -1049 -847

80 -457 -484 -865 Не опр.

120 -362 Не опр.

3. Сухоторфяная почва (участок Сейда)

0 -1753 -1974 -2508 -1559

20 -1418 -1684 -2204 -1364

50 -1017 -1273 -1709 -1032

80 -922 -1145 -1599 -981

120 -858 -1068 -1507 -1020

4. Сухоторфяная почва (участок Б. Роговая)

0 -1304 Не опр. -2183 -1731

20 -1127 -1411 Не опр.

50 -897 -1081 -1505 -1223

100 -730 Не опр. -1207

Летний температурный режим почв. Разрушение устойчивого снежного покрова на вершинах торфяных и минеральных бугров происходит относительно рано: в конце апреля-начале мая. Сезонное протаивание поверхностных горизонтов начинается во второй половине мая с установлением устойчивых положительных среднесуточных температур воздуха. Самый теплый месяц в поверхностных горизонтах почвы - июль или август (рис. 1, 2). Максимальные температуры нижних горизонтов СТС наблюдаются в период с августа по октябрь, в ММП - с сентября по декабрь.

Диапазон сумм температур >0 °С на глубине 0 см за все годы наблюдений во всех почвах составил 658...1312 °С • дней (табл. 4). На глубине 20 см суммы положительных температур в

Таблица 4. Суммы положительных среднесуточных температур почв и многолетнемерзлых пород, °С • дней__

Глубина, Сумма среднесуточных Сумма среднесуточных

см температур >0°С температур >10°С

гидрологический годы

2008- 2009- 2010- 2008- 2009- 2010-

2009 2010 2011 2009 2010 2011

1. Торфяно-глеезем криогенно-ожелезненный

0 906 755 970 554 317 388

20 118 175 76 0 0 0

50 85 90 43 0 0 0

100 4 1 3 0 0 0

2. Слоистая аллювиальная почва

0 1272 1138 1312 898 720 814

20 708 594 612 230 108 9

50 325 276 316 0 0 0

80 191 105 Не опр. 0 0 0

120 0 0 0 0 0 0

3. Сухоторфяная почва (участок Сейда)

0 911 719 917 415 211 213

20 568 497 628 49 49 12

50 29 18 29 0 0 0

80 0 0 0 0 0 0

120 0 0 0 0 0 0

4. Сухоторфяная почва (участок Б. Роговая)

0 Не опр. 658 740 90 126 265

20 189 Не опр. 0 0 0

50 0 0 0 0 0 0

100 0 0 0 0 0 0

1.5-3 раза ниже по сравнению с поверхностью (табл. 4). Максимальные суммы положительных температур на глубине 20 см зафиксированы в слоистой аллювиальной и сухоторфяной (участок Сейда) почвах. В слоистой аллювиальной почве маломощная торфянистая подстилка (6 см) и относительно легкий гранулометрический состав способствуют глубокому более проникновению положительных температур, что отражается и в большей мощности СТС (110 см). Лучший прогрев верхних горизонтов сухоторфяной почвы (участок Сейда) объясняется разреженной мохово-лишайниковой растительностью бугра. Черный цвет оголенного

торфа способствует повышенному поглощению солнечной радиации. В целом, для холодных мерзлотных почв региона характерно проникновение температур >10°С до глубины 10-15 см (основной корнеобитаемый слой). Проникновению температур >10°С препятствует наличие мощного органогенного горизонта, близость охлаждающего экрана мерзлоты, большие затраты тепла при оттаивании деятельного слоя.

Годовые показатели температурного режима почв. Общий диапазон среднегодовых температур СТС на глубинах 0, 20, 50 см в исследуемых почвах составил 0.8.. ,-4.8°С, ММП —1.3.. ,-4.4°С (табл. 5). Во всех четырех исследуемых профилях среднегодовые температуры СТС были отрицательными, постепенно снижаясь вниз по профилю. Отрицательные среднегодовые температуры в

Таблица 5. Среднегодовая температура почв и многолетнемерзлых пород, °С_

Глубина, см Гидрологические годы

2007-2008 2008-2009 2009-2010 2010-2011

1. Торфяно-глеезем криогенно-ожелезненный

0 -0.4 -2.8 -2.6 -1.2

20 -2.5 -2.6 -3.7 Не опр.

50 -1.7 -2.2 -3.2 »

100 -2.2 Не опр. -2.9 »

2. Слоистая аллювиальная почва

0 0.8 -0.2 -1.7 -0.1

20 -0.4 -0.4 -2.2 -1.3

50 -0.7 -0.9 -2.5 -1.6

80 -0.7 -0.8 -2.3 Не опр.

120 -1.3 Не опр.

3. Сухоторфяная почва (участок Сейда)

0 -1.8 -2.9 -4.6 -2.0

20 -2.3 -3.1 -4.4 -2.2

50 -2.7 -3.4 -4.6 -2.8

80 -2.5 -3.1 -4.4 -2.6

120 -2.3 -2.9 -4.1 -2.7

4. Сухоторфяная почва (участок Б. Роговая)

0 -2.5 Не опр. -4.8 Не опр.

20 -2.1 -3.8 -4.2 -3.1

50 -2.5 -3.0 -4.1 -3.3

100 -3.0 Не опр. -3.3

мерзлотных почвах и положительные в немерзлотных - наиболее нормальная ситуация (Кудрявцев и др., 1981; Вит, 2004). Диапазон сезонных колебаний температуры постепенно снижается от поверхности почвы вниз по профилю, охватывая верхнюю толщу ММП до глубины нулевых колебаний температур (рис. 1, 2). Сезонные колебания температуры еще четко выражены в исследуемых мерзлых горизонтах на глубине 50-120 см, что часто соответствует зоне формирования переходного слоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В зоне прерывистого и островного распространения ММП европейского Северо-Востока России на торфяных и минеральных наветренных участках под маломощным снежным покровом формируются мерзлотные почвы с низкими зимними и годовыми температурными показателями. Эти почвы образуют группу холодных мерзлотных профилей с суровым температурным режимом. Сравнительно низкие среднегодовые температуры верхних горизонтов ММП при их неглубоком залегании свидетельствуют об относительной стабильности мерзлоты в почвах торфяных и минеральных бугров. Летние температурные показатели в верхних горизонтах (0-20 см) исследуемых почв являются типичными для почв мохово-лишайниковых тундр, в нижних горизонтах дифференциация обусловлена разной глубиной залегания ММП. Повышенный прогрев верхних горизонтов в почвах торфяных бугров связывается с наличием несплошного растительного покрова, в минеральных почвах - малой мощностью грубогумусового горизонта и легким гранулометрическим составом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Геокриологическая карта СССР. М-б 1 : 2.5 млн. / Отв. ред. Ершова Е.Д., Кондратьева К.А. М.: Мин. геологии СССР и Изд-во Моск. ун-та, 1998.

2. Геокриология СССР. Европейская территория СССР / Под ред. Ершова Э.Д. М.: Недра, 1988. 358 с.

3. Государственная почвенная карта России. М-б 1 : 1 млн. Лист р-41 "Воркута" / Отв. ред. Шишов Л.Л. М.: ФСГКР, 2000.

4. Димо В.Н. Тепловой режим почв СССР. М.: Колос, 1972. 360 с.

5. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена,

2004. 342 с.

6. Кононенко А.В. Гидротермический режим таежных и тундровых почв Европейского Северо-Востока. Л.: Наука, 1986. 145 с.

7. Кудрявцев В.А., Полтев Н.Ф., Романовский Н.Н. и др. Мерзлотоведение. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981. 240 с.

8. Мажитова Г.Г. Температурные режимы почв в зоне несплошной многолетней мерзлоты европейского Северо-Востока России // Почвоведение. 2008. №1. С. 54-67.

9. Оберман Н.Г., Шеслер И.Г. Современные и прогнозируемые изменения мерзлотных условий Европейского северо-востока Российской Федерации // Проблемы Севера и Арктики Российской Федерации. 2009. Вып. 9. С. 96-106. http://council.gov.ru/iiles/journalsf/number/20090922141450.pdf

10. Cryosols (Permafrost-Affected Soils) / Eds. Burn C.R. The Thermal Regime of Cryosols. Berlin-Heidelberg-New York: Springer-Verlag, 2004. Р. 391-414.

11. Davidson E.A., Janssens I.A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change // Nature. 2006. № 44. Р. 165-173.

12. Hugelius G., Virtanen T., Kaverin D., Pastukhov A., Rivkin F., Marchenko S., Romanovsky V., Kuhry P. High-resolution mapping of ecosystem carbon storage and potential effects of permafrost thaw in periglacial terrain, European Russian Arctic // J. Geophys. Res. 2011. № 116. G03024. doi:10.1029/2010JG001606.

13.Mazhitova G., Malkova G., Chestnykh O., Zamolodchikov D. Active-layer spatial and temporal variability at European Russian circumpolar-active-layer-monitoring (CALM) sites // Permafrost and Periglacial Processes. 2004. V. 15 (2). P. 123-139.

PECULIAR TEMPERATURE REGIME IN COLD FROZEN SOILS ALONG THE SOUTHERN BOUNDARY OF THE CRYOLITHOZONE IN THE NORTH-EAST OF EUROPEAN RUSSIA

D.A. Kaverin, A.V. Pastukhov, G.G. Mazhitova

Institute of Biology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 167982, Syktyvkar, ul. Kommunisticheskaya, 28

Under study was the temperature regime of frozen soils situated along the southern boundary of cryolithozone in the North-East of European

Russia. In southern tundra the frozen soils with the cold temperature regime are confined to peat and mineral parent materials. The seasonal and long-term temperature dynamics in seasonal-thawing and underlying permafrost-affected layer is shown. The frozen soils are characterized by the main temperature indices.

Keywords: temperature regime, cold frozen soils, permafrost-affected rocks, seasonal-thawing layer.