CC BY
36
УДК 630*187:582.475:630*114.16(470.13-924.82) А.Ф. Осипов, С.Н. Кузин Институт биологии Коми НЦ УрО РАН
Осипов Андрей Федорович родился в 1985 г., окончил в 2007 г. Коми государственный педагогический институт, кандидат биологических наук, научный сотрудник Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Имеет около 20 печатных работ в области экологии леса, углеродного цикла в сосняках. E-mail: osipov@ib.komisc.ru
Кузин Сергей Николаевич родился в 1958 г., окончил в 1981 г. Московский авиационный институт, ведущий инженер Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Имеет 12 печатных работ в области фитоклимата, СО2 газообмена лесных сообществ, роста древесных растений, автоматизации биологических исследований. E-mail: kuzin@ib.komisc.ru
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВЫ СОСНЯКА ЧЕРНИЧНО-СФАГНОВОГО СРЕДНЕЙ ТАЙГИ*
Рассмотрен температурный режим болотно-подзолистой почвы спелого сосняка чер-нично-сфагнового средней тайги. Приведена сезонная динамика температуры почвы в слое 0...60 см. Определен период благоприятных температур для роста корней древесных растений.
Ключевые слова: тайга, сосняк, температурный режим почвы.
Влияние температуры почв на формирование лесных экосистем очень велико. Она обусловливает как процессы метаболизма растений, так и биологические, и химические превращения, происходящие в почве [11, 13]. Температурные условия почвенной среды определяют продуктивность фитоценозов [1, 12, 15]. Сведения о температуре почвы необходимы при моделировании динамики органического вещества почвы [10], биопродукционного процесса фитоценозов [6, 16], потока парниковых газов с поверхности почвы [8, 18]. Представляет определенный интерес и отклик температурного режима почвы на изменение климата [14, 17].
Сосновые леса на территории Республики Коми занимают 7,1 млн га, половина из которых приходится на заболоченные типы сообществ [9]. Отдельные аспекты теплового режима почв в сосняках средней тайги рассмотрены в работах Э.П. Галенко [4], А.В. Кононенко [7], К.С. Бобковой [1]. Температурный режим почвы старовозрастного ельника чернично-сфагнового
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-04-00067-а) и программы Президиума РАН № 16.
©Осипов А.Ф., Кузин С.Н., 2013
средней тайги охарактеризован в работе [3]. Однако отсутствуют данные по круглогодичной динамике температуры почвы сосновых сообществ на болот-но-подзолистых почвах.
Цель данной работы - анализ годичной динамики распределения температур в почве сосняка чернично-сфагнового.
Исследования проведены в среднетаежном спелом сосняке чернично-сфагновом на территории Ляльского лесоэкологического стационара (62° 15' с.ш., 50°42' в.д.) Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Древостой имеет состав 10С+Е,Б,Ос, V класс бонитета, средний возраст 118 лет. Плотность растущих деревьев 1210 экз./га, запас древесины 197 м/га, средняя высота деревьев 12,9 м, диаметр 16,3 см. Сухостой (30 экз./га) имеет запас древесины 2 м /га. Подлесок состоит из единичных кустов рябины и ивы. Подрост (2,2 тыс. экз./га) имеет состав 59Б33С8Е и представлен в основном деревьями средней категории высоты. Травяно-кустарничковый ярус с проективным покрытием 50...70 % сложен черникой (Vaccinium myrtillus L), голубикой (V. uliginosum L.), водяникой (Empetrum nigrum L.), багульником (Ledum palustre L.), осокой шаровидной (Carex globularis L.) и кассандрой (Chamaedaphne calyculata L.). Почти сплошной моховой ярус состоит из зеленых (Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens) и сфагновых (Sphagnum warnstorfii, S. an-gustifolium, S. medium) мхов. Встречаются пятна лишайников из рода Cladonia. Почва торфянисто-подзолисто-глееватая иллювиально-железистая супесчаная характеризуется торфянистой подстилкой мощностью около 19 см.
Измерение температуры проводили на поверхности почвы (среднее по трем измерениям) и на глубине 5, 10, 20, 30, 40, 60 см в непрерывном почасовом режиме с 3 июля 2008 г. по 1 ноября 2010 г. Для этого использовали датчики фирмы «НОВО» (США). Точность измерений - до 0,1 °С. На основании этих данных получали среднесуточные и среднемесячные температуры, вычисляли месячные суммы температур, определяли продолжительность периодов с температурой более 7,0 °С и более 10,0 °С [1, 13], соответствующих активной жизнедеятельности корней. Термоизоплеты по среднесуточным измерениям построены в программе Surfer 6.04.
Вегетационные периоды в годы исследований различались по своим погодным условиям. Так, в 2008 г. температура воздуха июня, июля и октября была на 0,6.3,4 °С выше средней многолетней, тогда как май, август и сентябрь были на 0,4. 1,3 °С холоднее. Количество осадков за период вегетации составило 412 мм. Летние месяцы 2009 г. характеризовались незначительными (0,3. 0,4 °С) отклонениями от нормы, а май, сентябрь и октябрь были теплее на 1,4.3,8 °С. Осадков выпало 465 мм. В 2010 г. отмечалась жаркая погода: среднемесячные температуры вегетационного периода были выше средних многолетних на 1,4.5,7 °С. За вегетационный период выпало 309 мм осадков, что составило 74 % от средних многолетних значений.
-20
я <с
5 -40
-60
1 II Ш IV V VI VII VIII IX X
—1-1-1-1-П- м'1 ' V >
ШШЯш
щ
-4 0 4 8 12 16 20 °С
Динамика температуры почвы сосняка чернично-сфагнового по месяцам (I - XII) в 2008 (а), 2009 (б), 2010 гг. (в)
Начало наблюдений за температурным режимом в 2008 г. совпало со временем интенсивного прогрева почвы и обильным развитием биоты. Средняя температура на нижней границе органогенного горизонта (20 см) в это время составила 9,0 °С, на глубине 60 см - 7,5 °С (см. рисунок а). Таким образом, в начале наблюдения толща почвы была уже достаточно прогретой для осуществления процессов жизнедеятельности корневых систем растений. Увеличение температуры в органогенном горизонте продолжилось до начала III декады июля, достигнув среднесуточного значения 11,2 °С. На глубине 60 см максимальная температура (9,5 °С) наблюдалась в середине III декады июля. Далее следовало понижение температуры почвы по всему профилю до середины II декады августа. Затем наблюдалось некоторое повышение, а с начала сентября происходило постепенное снижение. Отрицательные температуры на поверхности почвы имели место в I декаде ноября, но недолго. Начиная с конца II декады ноября, отрицательные температуры на поверхности почвы продолжались до конца 2008 г. В этот период температура в органогенном горизонте понизилась до 2,8 °С, а на глубине 60 см - до 3,5 °С.
В 2009 г. отрицательные температуры на поверхности почвы продолжались до конца I декады мая (см. рисунок б). Отрицательных значений температуры в ризосфере почвы в это время не выявлено, хотя в органогенном горизонте она понизилась до 1,0 °С, а на глубине 60 см - до 1,5 °С. В мае - июне происходило интенсивное прогревание почвы, чему способствовало относительно слабое развитие травяно-кустарничкового яруса. Вегетационный период 2009 г. отличался благоприятными условиями температурного режима. Увеличение температуры органогенного горизонта продолжалось до конца июля, достигнув 11,5 °С, почвы на глубине 60 см - до середины I декады августа, однако период с благоприятными для роста корней температурами в слое 0...60 см продолжался до конца I декады октября. Кратковременный период с отрицательными среднесуточными температурами был выявлен в конце III декады октября, а постоянно они наблюдались с конца I декады декабря. К концу года среднесуточная температура органогенного горизонта понизилась до 2,5 °С, на глубине 60 см - до 3,0 °С.
В 2010 г. отрицательные среднесуточные температуры поверхности почвы продолжались с начала года до середины II декады апреля (см. рисунок в). Затем началось интенсивное прогревание почвы, которое продолжалось до середины августа. Максимальная температура в органогенном горизонте составила 12,5 °С, на глубине 60 см - 11,0 °С. Сентябрь этого года характеризовался довольно благоприятными термическими условиями, когда температура почвенного профиля 0.60 см была выше 8,0 °С. В конце наблюдений (1 ноября 2010 г.) температура органогенного горизонта и толщи на глубине 60 см составляла выше 5,0 °С.
Ранее было отмечено [1], что в средневозрастном сосняке чернично-сфагновом средней тайги органогенный горизонт почвы прогревался до 8,0 °С в конце III декады мая, слой 0.60 см - к концу июня. Максимальная температура в подстилке достигала 13,0 °С в III декаде июля, на глубине 60 см - 11,0 °С. На конец наблюдения (II декада октября 1984 г.) температура в слое 0.20 см опустилась до 4,0 °С, на глубине 60 см - до 5,0 °С.
Таблица 1
Сумма среднесуточных температур (°С) почвы на различных глубинах
Глубина почвенного профиля, см
0 5 10 20 30 40 60
Январь -45,4 15,2 49,6 73,6 74,6 79,9 89,4
-34,9 12,7 47,4 66,2 66,7 72,0 81,9
Февраль -33,5 6,7 31,7 50,1 50,7 54,8 62,2
-40,1 0,3 27,7 43,5 44,0 48,4 56,6
Март -11,5 9,0 31,7 47,9 48,9 52,6 59,4
-20,1 0,4 22,9 36,9 37,1 41,3 49,1
Апрель -3,0 13,5 31,4 42,9 43,9 46,9 52,8
1,9 4,4 21,3 28,4 28,6 32,2 38,5
Май 173,6 130,7 107,6 91,2 89,6 85,5 80,4
306,6 210,0 165,7 136,8 135,0 127,7 115,0
Июнь 413,0 324,4 270,9 232,9 228,7 216,1 195,7
379,2 301,3 258,9 230,3 227,8 218,4 201,2
504,1 414,7 349,5 289,2 282,0 268,5 248,1
Июль 478,1 390,1 343,6 308,8 304,6 293,6 274,5
527,6 431,3 364,4 321,3 318,0 306,1 284,7
404,6 371,9 347,6 316,4 312,3 303,7 290,0
Август 403,5 370,4 349,9 331,7 329,9 323,5 311,4
442,4 384,7 361,7 342,8 340,4 333,0 319,2
190,8 236,9 254,8 263,6 263,2 263,3 262,8
Сентябрь 313,6 309,4 305,1 298,5 297,5 294,8 289,4
274,8 256,0 264,4 267,4 266,2 265,1 263,5
108,4 164,5 191,5 208,6 209,8 212,3 217,5
Октябрь 75,3 152,9 194,5 217,6 218,5 223,9 232,4
77,5 131,9 176 200,8 201,5 206,5 215,2
4,1 81,5 120,6 147,0 148,6 153,8 162,4
Ноябрь 15,4 87,5 121,0 139,3 139,2 144,5 154,4
-35,3 46,6 83,1 107,9 109,2 114,6 123,8
Декабрь -24,2 42,0 80,9 102,1 102,6 108,4 119,1
- - - - - - -
Примечание. Первая строка - данные 2008 г., вторая - 2009 г., третья -
2010 г.
Сезонная динамика суммы среднесуточных температур за месяц характеризуется их постепенным ростом с января по июль с последующим уменьшением (табл. 1). Следует отметить, что в июле-августе 2010 г. сумма сред-
несуточных температур на всех глубинах была выше, чем в аналогичные периоды 2008-09 гг. Это обусловлено аномально жарким летом 2010 г. Однако в сентябре-октябре 2008 и 2010 гг. сумма среднесуточных температур была ниже, чем в 2009 г. Этому, вероятно, способствовали благоприятные погодные условия в сентябре 2009 г.
Рассмотрим распределение температур в толще почвы. Примем за 100 % сумму температур на глубине 5 см. В таком случае на глубине 60 см тепловые ресурсы в мае, июне, июле, августе составляют соответственно 55.61, 61.67, 60.70, 78.84 %. Следовательно, внутрипочвенные градиенты температуры в торфянисто-подзолисто-глееватой супесчаной почве имеют отрицательный знак. Нагрев нижележащих горизонтов идет по типу инсоляции. В сентябре тепловые ресурсы по всему профилю почвы примерно равны, а в октябре знак внутрипочвенных градиентов становится положительным. Начинается отдача теплоты в атмосферу почвенной толщей. Положительные внутрипочвенные градиенты, которые, согласно В.Н. Димо [5] и P.-E. Mel-lander с соавторами [17], в зимнее время определяют мощность и плотность снежного покрова, а также степень континентальности климата, наблюдаются с октября по апрель.
Температурный режим почвы в значительной мере определяет жизнедеятельность подземных органов растений. Как показывают данные табл. 2, продолжительность периода с благоприятными для роста корней температурами различается. Так, температура органогенного горизонта выше 7,0 °С в различные годы исследования наблюдалась в течение 90.114 дн., на глубине 60 см - 78.106 дн. Более благоприятным для осуществления процессов жизнедеятельности корней был 2009 г., менее - 2008 г. Аналогичная картина имеет место и для периода с температурой выше 10,0 °С, продолжительность которого составила 48.62 дн. в органогенном горизонте, на глубине 60 см почва не прогревалась до такой температуры в 2008 г. В 2009 г. благоприятный период для роста растений длился 45, в 2010 г. - 22 дн. Согласно данным К.С. Бобковой [1], в сосняках средней тайги продолжительность периода с благоприятной для роста корней температурой в органогенном горизонте составляет 2,0.3,0 мес., в слое до 80 см - 1,5.2,0 мес. Автором также отмечено, что торфянисто-подзолисто-глееватая гумусовая почва средневозрастного сосняка чернично-сфагнового прогревается раньше, чем подзолистая почва сосняка черничного.
Таблица 2
Продолжительность периода (дн.) с температурами,* благоприятными для роста корней древесных растений в сосняке чернично-сфагновом
Год Подстилка Слой 0.60 см
2008 90**/48 78/0
2009 114/62 106/45
2010 101/51 96/22
*В числителе приведены данные для температуры выше 7,0 °С, в знаменателе -для 10,0 °С.
**Начало периода с этими температурами не выявлено.
Показано, что большая часть (73 %) тонких корней древесных растений в сосняках чернично-сфагновых располагается в органогенном горизонте почвы. Следует отметить, что в сосновых сообществах на болотно-подзолистых почвах рассматриваемого региона на жизнедеятельность растений большое влияние оказывают переувлажнение почвы и недостаток кислорода в верховодке [2].
Ранее А.Я. Орловым и С.П. Кошельковым [13] отмечено, что органогенный горизонт в сосняках чернично-сфагновых южной тайги прогревается раньше, чем в сосняках черничных и долгомошных. Однако их более глубокие слои прогреваются позже. Причиной, вероятно, может служить избыток влаги в сообществах на болотно-подзолистых почвах, на нагрев которой, а следовательно, и окружающей почвенной толщи требуется большее количество теплоты. В почве среднетаежного сосняка черничного свежего [3] в органогенном горизонте продолжительность периода с температурой выше 10,0 °С в различные годы варьировала от 35 до 80 дн., на глубине 40 см - от 5 до 35 дн.
Таким образом, тепловой режим торфянисто-подзолисто-глееватой ил-лювиально-железистой почвы спелого сосняка чернично-сфагнового средней тайги обеспечивает возможность активного роста корней в слое 0.60 см. Более благоприятные термические условия для жизнедеятельности растений существуют в органогенном горизонте, в котором находится большая часть физиологически активных корней.
Выполненное нами исследование продолжает определение теплового режима болотно-подзолистых почв и связанные с ним функции лесных экосистем Европейского Северо-Востока России.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бобкова К.С. Биологическая продуктивность хвойных лесов Европейского Северо-Востока. Л.: Наука, 1987. 157 с.
2. Веретенников А.В. Влияние временного избыточного увлажнения на физиологические процессы древесных растений. М.: Наука, 1964. 88 с.
3. Галенко Э.В., Бобкова К.С., Швецов С.П. Температурный режим почвы чер-нично-сфагнового ельника средней тайги // Лесн. журн. 2008. № 3. С. 19-28. (Изв. высш. учеб. заведений).
4. Галенко Э.П. Фитоклимат и энергетические факторы продуктивности хвойного леса Европейского Севера. Л.: Наука, 1983. 129 с.
5. Димо В.Н. Тепловой режим почв СССР: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук. М., 1971. 58 с.
6. Комаров А.С. Пространственные индивидуально-ориентированные модели лесных экосистем // Лесоведение. 2010. № 2. С. 60-68.
7. Кононенко А.В. Гидротермический режим таежных и притундровых почв Европейского Северо-Востока. Л.: Наука, 1986. 144 с.
8. Курганова И.Н. Эмиссия и баланс диоксида углерода в наземных экосистемах России: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М., 2010. 50 с.
9. Леса Республики Коми / Под ред. Г.М. Козубова., А.И. Таскаева. М., 1999. 332 с.
10. Моделирование динамики органического вещества почв / А.В. Смагин [и др.]. М.: Изд-во МГУ, 2001. 120 с.
11. МолчановА.А. Лес и климат. М.: Наука, 1961. 279 с.
12. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах Европейского Севера / Отв. ред. Н.И. Казимиров. Л.: Наука, 1977. 304 с.
13. ОрловА.Я., Кошельков С.П. Почвенная экология сосны. М.: Наука, 1971. 324 с.
14. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России / Под ред. Г.А. За-варзина. М.: Наука, 2007. 315 с.
15. Усольцев В.А. Фитомасса лесов Северной Евразии: предельная продуктивность и география. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 406 с.
16. Цельникер Ю.Л., Корзухин М.Д., Семенов С.М. Модельный анализ широтного распределения продуктивности лесных пород России // Лесоведение. 2010. № 2. С. 36-45.
17. Mellander P.-E., Laudom Н., Bishop К. Modelling variability of snow depths and soil temperatures in Scots pine stands // Agricultural and Forest Meteorology. 2005. Vol. 133. P. 109-118.
18. Zamolodchikov D.G., Karelin D.V. Arctic hot and CO2 springs: Natural model of impact of climate change on terrestrial ecosystems // Mem. Nat. Inst. Polar. Res. 2001. Spec. Issue 54. P. 437-443.
Поступила 23.12.10
A.F. Osipov, S.N. Kuzin
Institute of Biology, Komi Scientific Centre, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Thermal Regime of the Soil in Blueberry-Sphagnum Pine Forest in Middle Taiga
The article considers the thermal regime of peaty-podzolic soil in mature bilberry-sphagnum pine forest in middle taiga. Seasonal dynamics of soil temperature in a 0.60 cm layer is presented. The period of favourable temperature for root growth of trees is determined.
Key words: taiga, pine forest, thermal regime of soil.
