Годовая динамика температур органогенных горизонтов почв Приполярного Урала

Одной из важнейших экологических характеристик почв является температурный режим [1, 2]. Параметры теплообеспеченности определяют ряд свойств и функций почв, детерминируют рост и развитие растений, жизнедеятельность биоты, скорость протекания физико-химических и биохимических процессов в почвах. Мониторинговые наблюдения за температурами почв крайне важны для характеристики климатических параметров и климатических прогнозов. В настоящее время существенный интерес привлекают области с распространением криогенных почв, формирующихся на многолетнемерзлых породах, аккумулирующими значительные запасы углерода и азота [3, 4]. Криогенные почвы наиболее подвержены климатическим изменениям и в случае потепления могут стать дополнительным источником поступления углеродсодержащих парниковых газов в атмосферу [5, 6]. Территория Приполярного Урала характеризуется как южный предел распространения криогенных почв на европейском Северо-Востоке России [7].

Цель данной работы – изучение температурного режима органогенных горизонтов почв, находящихся в разных высотных поясах Приполярного Урала.

Объект и методы

Исследования температурного режима органогенных горизонтов почв проводили на трех участках в северной части Приполярного Урала на территории национального парка «Югыд ва» (рис. 1).

Объекты исследования расположены на хребте Малдынырд. Их краткая характеристика приведена в табл. 1. Согласно геоботаническому районированию, рассматриваемый регион располагается в Южно-Приполярно-Уральском округе крайнесеверной тайги. Для исследуемой территории характерна четко выраженная вертикальная поясность [8].

Климат Приполярного Урала резко континентальный, суровый, с длительной морозной зимой и коротким прохладным летом. По классификации В.Н. Димо [10], почвы северной и крайнесеверной тайги по температурному режиму относятся к очень

Рис. 1. Расположение объектов исследования.

Таблица 1

Краткая характеристика объектов исследования

№ разреза, абсолютная высота, м над ур.м.	Растительность, крутизна склона	Тип почвы	Строение почвенного профиля
			Горизонт	Глубина, см
Р-7-09, 400 м	Мохово-лишайниковая горная тундра с подстиланием многолетнемерзлыми льдистыми породами. Крутизна склона 2-3°.	Торфяно-глеезем мерзлотный	Очес Т Вh BG ┴	0-20(25) 20(25)-30 30-35 35-50
Р-22-09, 510 м	Лиственничник кустарничково-зеленомошный. Крутизна склона 6°.	Светлозем иллювиальножелезистый	О(L) O(F+H) Eh BF CRM BCcrm С	0-3 3-6 6-14 14-30 30-37 37-55 55-70
Р-1-10, 610 м	Ерниково-кустарничково-зеленомошная горная тундра. Не имеет подстилания льдистой мерзлоты. Крутизна склона 5°.	Подбур глееватый иллювиально-гумусовый	Очес О(F) ВН Cg Cg	0-4 4-10 10-20 20-40 40-60

Примечание: Особенности почв и растительности подробно описаны нами ранее [3, 9].

холодному подтипу длительно сезонно-промерзаю-щего типа и характеризуются коротким периодом активных температур. Среднегодовая температура воздуха равна -3,2°С, абсолютная минимальная и максимальная температуры составляют -55°С (январь) и 30°С (июль) соответственно [11]. По данным метеостанции Петрунь , среднегодовая температура воздуха в районе, близком к месту проведения работ, за период исследования была -3,9°С. Минимальное значение температуры воздуха – -39,8°С (05.02.2011 г.), максимальное – +31,2°С (26.06.2011 г.). Полученные нами температурные показатели воздуха за период наблюдений не выходили за пределы значений данных метеостанции.

Мониторинг температуры органогенного горизонта и температуры воздуха исследуемых почв выполнен автономными температурными датчиками (регистраторами) IButton Data Loggers (iBDL) DS 1923 с точностью определения 0,1°С. Использование температурных датчиков позволяет собрать ряды температур с высокой точностью измерений и большой емкостью накапливаемых результатов, которые полезны при фиксации информации за длительный срок. На каждом из трех участков было поставлено по два температурных датчика. Первый находился непосредственно в подстилке почвенного разреза и фиксировал температуру на глубине 3 см, второй – на высоте 1м в естественных условиях, чтобы фиксировать температуру воздуха. Датчики были запрограммированы на фиксацию температур каждые 4 ч. в течение суток (шесть измерений в сутки).

Измерения проводили в период с 27 июля 2010 г. по 29 июня 2011 г. (338 дней). На основе показаний логгеров установлены среднесуточные, минимальные и максимальные значения температур, амплитуды колебания температур воздуха и органогенных горизонтов в исследуемых почвах Приполярного Урала; определена сумма положительных и отрицательных температур за период наблюдения; проведено сравнение динамики температуры в органогенных горизонтах разных высотных поясов на склонах различных экспозиций.

Среднегодовую температуру определяли как сумму среднемесячных температур с делением на число месяцев, среднемесячную температуру – делением на количество дней в исследуемом месяце, а среднесуточную – на количество регистрируемых показателей в сутки, в нашем случае – шесть. Всего проанализировано 2028 индивидуальных измерений температуры.

Амплитуду колебания вычисляли как разницу между самым теплым показателем температуры и самым холодным. Для годовой амплитуды – это разница между средней температурой самого теплого и холодного месяца, для месячной – самого теплого и холодного дня, для суток – самого теплого и холодного зарегистрированного показателя.

Результаты и обсуждение

Динамика изменений температур органогенных горизонтов почв повторяет изменение температур воздуха, но с отставанием тепловой волны по глубине и изменением ее амплитуды (рис. 2).

Годовой ход температуры в органогенном горизонте почвы имеет два периода: нагревание (теплый), который сопровождается оттаиванием мерз-

Рис. 2. Динамика среднесуточных значений температуры воздуха в период исследования (на высоте 1 м). 1 – торфяно-глеезем мерзлотный, 2 – светлозем иллювиально-железистый, 3 – подбур глееватый иллювиально-гумусовый.

лых слоев почвы, и охлаждением (холодный), сопровождается сезонным промерзанием.

Среднегодовая температура воздуха, зафиксированная в горной тундре на высоте 400 м над ур.м. (торфяно-глеезем мерзлотный), составила -2,2°С. На участке тундры на высоте 610 м над ур.м. (подбур иллювиально-гумусовый глееватый) сред-негодовая температура была равна -1,5°С, в лиственничнике на высоте 510 м над ур.м. – -2,1°С.

Среднегодовая температура в органогенном горизонте торфяно-глеезема мерзлотного равна +0,9°С, в подбуре глееватом иллювиально-гумусовом составляла -1,8°С, а в светлоземе иллювиально-железистом – +2,5°С. Годовая амплитуда температуры воздуха для торфяно-глеезема мерзлотного составляет 38,5°С, для подбура глееватого и светлозема равна 34,1 и 35,2°С соответственно. Среднемесячные показатели температур органогенных горизонтов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Среднемесячные температуры органогенных горизонтов, Т°С

Месяц	Торфяно-глеезем мерзлотный	Светлозем иллювиальножелезистый	Подбур глееватый иллювиальногумусовый
Июль	15,3	13,1	12,5
Август	8,8	9,3	8,1
Сентябрь	2,6	3,7	2,1
Октябрь	-0,5	1,2	-0,6
Ноябрь	-2,7	-0,6	-4,2
Декабрь	-6,7	-2,3	-10,9
Январь	-5,6	-1,5	-10,8
Февраль	-7,3	-2,3	-14,7
Март	-3,5	-0,8	-8,8
Апрель	-1,4	0,3	-3,7
Май	1,6	1,8	0,7
Июнь	10,1	8,2	8,8
Среднее за период исследования	0,9	2,5	-1,8

Изменение температур в летний (теплый) период. Максимальная температура в органогенном горизонте почв наблюдалась в конце июля – начале августа и варьировала от +16,3°С в органогенном горизонте подбура глееватого до +21,2°С в торфяно-глееземе мерзлотном.

Положительные температуры в органогенных горизонтах появляются в конце апреля – начале мая. Оттаивание поверхностных горизонтов начинается во второй половине мая с окончательным установлением положительных среднесуточных температур воздуха. В органогенных горизонтах торфяно-глеезема и подбура глееватого иллювиально-гумусового положительные среднесуточные температуры появляются 25 мая, а в органогенном горизонте светлозема иллювиально-железистого почти на полтора месяца раньше – 9 апреля.

Диапазон сумм положительных температур за период наблюдения исследуемых почв в органогенных горизонтах составил – 681…816 °С (табл. 3). Полученные данные имеют близкие значения с почвами южной тундры части Большеземельской тундры (213-814°С) [12] за тот же период измерений (2010 – 2011 гг.).

Таблица 3

Показатели температурного режима органогенных горизонтов

Разрез	Т°С подстилки
	> 0	1         ≤ 0         1	> +5
Количество дней
	99	239     1	58
	Т°С, ср
	8,2	1        -3,7        1	12,1
Торфяно-глеезем мерзлотный	Т°С, max
	21,2	1              –              1	21,2
	Т°С, min
	–	-9,8	–
	Т°С, сумма
	816	-875	703
Количество дней
	185	153	65
	Т°С, ср
	4,4	1        -1,5        1	9,8
Светлозем	Т°С, max
иллювиально-	16,9	1              –              1	16,9
железистый	Т°С, min
	–	1            -4            1	–
	Т°С, сумма
	809	-230      1	640
Количество дней
	104	234	52
	Т°С, ср
	6,6	-7,02	10,7
Подбур глееватый	Т°С, max
иллювиально-	16,3	1              –              1	16,3
гумусовый	Т°С, min
	–	-18,3	–
	Т°С, сумма
	681	-1644    1	559

Примечание: прочерк – данные отсутствуют.

Самым теплым и стабильным по суточной динамике температур оказался органогенный горизонт светлозема иллювиально-железистого (рис. 3).

Под пологом леса суточные изменения температур значительно менее контрастны, чем на открытых участках. Лесной покров существенно сглаживает колебания температур. Наиболее четко это проявляется в апреле, когда начинается переход к положительным температурам. На протяжении двух самых теплых месяцев – июля и августа – при прогреве воздуха до +20...+23ºС среднесуточная температура органогенного горизонта на участке в лесу не превышала +15…+17°С. В этот промежуток времени температурная разница органогенного горизонта и более прогретого воздуха не превышала 9°С, что близко по значениям с данными [13], по расположенному севернее заповеднику «Пасвик», в котором разница температур между прогретым воздухом и температурами органоген-

Рис. 3. Динамика температуры органогенных горизонтов исследованных почв. Обозначения как на рис. 2.

ных горизонтов не превышала 10–11°С. В целом, сравнивая полученные данные по лесному участку с исследованиями температур заповедника «Пас-вик», можно сказать, что органогенные горизонты лесных почв Приполярного Урала прогреваются в летний сезон несколько лучше при относительно одинаковых условиях температур воздуха [14].

Среднемесячные температуры органогенных горизонтов исследуемых почв теплого периода варьировали от +0,7°С в мае до +15,3°С в июле (табл. 2). За период наблюдений число дней с положительной температурой в органогенных горизонтах изменялось от 99–104 на участках горной тундры и до 185 дней на участке горно-лесного пояса. Среднесуточная температура органогенного горизонта теплого периода светлозема иллювиально-железистого равна +4,4°С, торфяно-глеезема мерзлотного – +8,2°С, а подбура глееватого – +6,6°С. Скорее всего, это связано с тем, что почвы горной тундры располагаются на открытых участках и получают больше солнечной энергии, за счет которой идет прогрев органогенных горизонтов.

Важным показателем температурного режима является среднесуточная температура > +5°С, которая по работе [15] определяет активность роста сосущих корней растений и активность биоты. По данным К.С.Бобковой, наиболее интенсивный рост корней хвойных лесов равнинных территорий в условиях северной тайги приходится на июль – первую половину августа, в условиях средней тайги – в июне – начале июля, и период роста длится вплоть до сентября. Согласно нашим исследованиям, появление среднесуточных температур > +5°С органогенных горизонтов для всех почв района исследования (крайнесеверная тайга) начинается одновременно 26–27 мая. В органогенном горизонте светлозема иллювиально-железистого длительность этого периода составляет 65, в торфяно-глееземе мерзлотном – 58, а в подбуре глееватом иллювиально-гумусовом – 52 дня.

Выявлено, что со второй декады марта по третью декаду мая температура органогенных горизонтов почв светлозема и торфяно-глеезема остается достаточно стабильной. Температура в органогенном горизонте светлозема составляла +0,5°С, а в торфяно-глееземе – -1°С, в то время как органогенный горизонт подбура глееватого был более холодным и вариабельным в эти месяцы. Вероятно, это связано с началом таяния снежного покрова, пропиткой и насыщением органогенных горизонтов талыми водами. Наличие устойчивого снежного покрова, который в лесной зоне и на пологих склонах обычно имеет значительную мощность, снижает теплообмен между воздушными массами и поверхностью почвы, тем самым несколько увеличивая ее температуру, поэтому в лесу талая вода немного теплее, чем на открытом участке горной тундры.

Изменение температур в зимний (холодный) период. Появление устойчивых отрицательных среднесуточных температур воздуха происходит во второй половине октября. Огромное влияние на температурный режим органогенных горизонтов в зимний период имеют: высота над уровнем моря, фазовые переходы при замерзании влаги в профиле почвы, высота снежного покрова, тепловой поток, поступающий на поверхность почвы и аккумулированный в течение теплого периода [4,10].

Холодный период длится семь месяцев – с октября по апрель. Переход к отрицательным среднесуточным температурам начинается уже в августе – сентябре, а в октябре – промерзание органогенных горизонтов после окончательного установления отрицательных среднесуточных температур. Отрицательные среднесуточные температуры органогенных горизонтов почв горно-тундрового пояса наблюдаются с 10–29 сентября, когда в почве горно-лесного пояса данные температуры появляются на месяц позже – 29 октября.

Выявлены существенные отличия температурных параметров органогенного горизонта свет-лозема иллювиально-железистого от почв горнотундрового пояса. Показано, что в органогенных горизонтах светлозема, среднесуточные отрицательные температуры, и как следствие, их среднемесячная отрицательная температура начинается на месяц позже – в ноябре и заканчивается месяцем раньше – в марте.

Среднемесячные температуры органогенных горизонтов исследованных участков в холодный период изменялись от -0,5°С в торфяно-глееземе мерзлотном до -14,7°С – в подбуре глееватом. Среднесуточная температура органогенного горизонта торфяно-глеезема мерзлотного холодного периода равна -3,7°С, в светлоземе – -1,5, а в подбуре глееватом – -7,0°С.

Среднесуточная отрицательная температура органогенных горизонтов в почвах горной тундры зафиксирована в течение 230–240 дней, тогда как на лесном участке – 153. Минимальные среднесуточные температуры в органогенном горизонте тор-фяно-глеезема составляют -9,8°С, что практически в два раза меньше, чем в подбуре глееватом – -18,3°С. Диапазон сумм отрицательных температур органогенных горизонтов исследуемых почв составил – -230…-1644°С (табл. 2). Для равнинных территорий подзоны южной (кустарниковой) тундры европейского Северо-Востока России, которые относятся к мерзлотному типу температурного режима [10], диапазон отрицательных среднесуточных температур органогенных горизонтов гораздо ниже и составляет -1246…-1731°С [12].

Рис. 4. Динамика температуры органогенных горизонтов исследованных почв. А – период с 00:00 ч. 30 июля по 20:00 ч. 3 августа 2009 г. Б – период с 00:00 ч. 30 января по 20:00 ч. 3 февраля 2009 г. Обозначения как на рис. 2.

Выявлено, что температурный режим органогенных горизонтов почв горной тундры торфяно-глеезема мерзлотного несколько отличается от температурного режима подбура глееватого иллювиально-гумусового, находящихся на разных высотах, но относящихся к одному высотному поясу. На склоне юго-восточной экспозиции склона органогенный горизонт торфяно-глеезема, в целом, был прогрет за летний сезон на 1,2°С сильнее и охлаждался меньше на 3,6°С, чем расположенный выше на склоне северо-восточной экспозиции склона органогенный горизонт подбура глееватого. Вероятно, этому способствуют воздействие устойчивого снежного покрова, высота над уровнем моря, крутизна склонов и различия в напочвенном покрове. У подбура глееватого на высоте 610 м над ур.м. мощность органогенного горизонта достигает 10 см, а у торфяно-глеезема – 30 см, включая небольшой тор-фянистый горизонт. Моховой покров, благодаря своей малой теплопроводности, способствует запаздыванию наступления отрицательных температур. Это ведет к увеличению тепловой инерции, которая, в свою очередь, увеличивает сопротивляемость органогенного горизонта к изменению температуры воздуха, т.е. препятствует как быстрому нагреву, так и охлаждению. Поэтому торфяно-глеезем мерзлотный аккумулирует в своей толще больше тепла в летний период и сохраняет его под слоем устойчивого снежного покрова в холодный.

Следует отметить, что различия в температурном режиме подстилок исследуемых участков наиболее ярко прослеживаются при оценке суточной динамики температуры. В качестве примера приведены суточные амплитуды температур в органогенных горизонтах в различные периоды сезонов года (рис. 4).

В летний период (рис. 4 А) максимальные амплитуды были зафиксированы на участках почв горно-тундрового пояса, которые находятся на открытых участках и получают больше солнечной энергии, чем почва, находящаяся под пологом леса.

В зимний период (рис. 4 Б) органогенный горизонт подбура глееватого иллювиально-гумусового охлаждается сильнее и обладает максимальными амплитудами. Данный участок горно-тундрового пояса находится выше всех исследованных участков (абс. высота 610 м) и, вероятно, более подвержен выносу снега со склона. Что, по всей видимости, приводит к оголению поверхности почвы и увеличению прямого воздействия отрицательных температур воздуха холодного зимнего периода, по сравнению с почвами, находящимися под пологом устойчивого снежного покрова, которые обладают минимальными суточными амплитудами в данный период года.

Заключение

На примере почв разных высотных поясов показано, что динамика температур органогенных горизонтов совпадает с изменением температуры атмосферного воздуха, но отличается при этом меньшей амплитудой.

Выяснено, что значительную роль в температурном режиме органогенных горизонтов почв Приполярного Урала играют фактор высотной поясности, экспозиция горных склонов, высота над уровнем моря, наличие и величина снежного покрова.

Лесной покров препятствует сильному охлаждению поверхности почвы, тем самым участком с наименьшей суммой отрицательных температур в органогенном горизонте является светлозем иллювиально-железистый – -230°С, а самым холодным – подбур глееватый иллювиально-гумусовый с суммой температур ниже 0°С, равной -1644°С.

Органогенный горизонт торфяно-глеезема мерзлотного лучше прогревается в летний период, чем расположенный выше на 200 м органогенный горизонт подбура глееватого-иллювиально-гумусо-вого, и меньше охлаждается в зимний период за счет некоторого увеличения тепловой инерции, несмотря на подстилание льдистой мерзлоты.

В летний период максимальные суточные амплитуды температур были зафиксированы на участках почв горно-тундрового пояса. В зимний период органогенный горизонт подбура глееватого иллювиально-гумусового охлаждается сильнее за счет малой мощности снежного покрова и самого высокого расположения.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Президиума РАН № 15-12-4-1 «Разнообразие растительного мира и почвенного покрова ландшафтов, перспективных для включения в состав объекта Всемирного наследия ЮНЕСКО "Девственные леса Коми"».