Организация сети автоматических атмосферно-почвенных климатических станций мониторинга динамики южной границы криолитозоны

Познание разнообразия почв и природных комплексов — одна из основных проблем современной науки. Особенно это относится к таким сложно организованным системам, как почва и почвенный покров. Данная проблема обретает еще большую значимость в регионах, где возникают новые связи и соотношения почв со средой, вызванные криогенными процессами. Мерзлотные условия, равно как и литологические и фитоценотические, дальше усложняются при расчлененности рельефа. Именно поэтому на территории Республики Бурятия становится возможным обособление множественной сети экологических ниш с резко контрастными режимами выветривания и почвообразования [Бадмаев, 2008].

Мерзлотные процессы получают наиболее яркое развитие при сплошном распространении многолетней мерзлоты, которая занимает 121,21 тыс. км ² , или 34,5% всей территории Бурятии [Бадмаев и др., 2011]. В переходной зоне многолетней мерзлоты прерывистого (109,967 тыс. км ² ) и особенно островного (119,8 тыс. км ² ) распространения интенсивность мерзлотных процессов существенно ниже.

Обзор литературы по изменению климата и его влияния на мерзлотные процессы в ландшафтах юга Витимского плоскогорья представлен в работах A. Kulikov et al [2009], И. И. Смирновой и др. [2012], N. Badmaev et al [2013] и N. Badmaev et al [2015], в которых по трем временным срезам (1909, 1981 и 2008 гг.) установлена неоднозначная реакция мощности слоя сезонного протаивания почв на глобальное потепление. В последних публикациях показано пространственновременные закономерности изменения глубины протаивания в Укырской депрессии за ХХ столетие. Максимальное изменение глубины протаивания почв характерно (на 140–170 см) для открытых степных пространств. В гидроморфных днищах осоково-ерниковых болотистых лугов изменения мерзлотно-тепловых условий не фиксируются. В мерзлотно-таежных ландшафтах приводораздельных коренных лиственничников положительный тренд слабо выражен (на 25–30 см).

В настоящей публикации представлены новые данные, которые получены на основе современного атмосферно-почвенного измерительного комплекса (АПИК). Комплекс разработан в Сибирском отделении РАН и используется для контроля пространственно-временной динамики параметров атмосферного и почвенного климата в контрастных ландшафтах на разных типах распространения многолетней мерзлоты Республики Бурятия (рис. 1).

Особенностью комплекса является долговременное автоматическое измерение вертикального профиля температуры и влажности в системе «почва – атмосфера» с глубины 3,2 м до высоты 10 м. Одновременно измеряются климатические параметры в точке измерений: скорость и направление ветра, уровень солнечной радиации, количество жидких осадков и уровень снега, а также проводимость почвенной воды. Данные считываются дистанционно через GSM-модем по сотовому каналу связи [Базаров и др., 2016].

Рис 1. Карта распространения разных типов многолетней мерзлоты [Бадмаев и др., 2011] и схема расположения полигонов АПИК

Почвы, описанные на полигонах, отражают наиболее характерные условия почвообразования на изучаемой территории, контрастные по геокриологическим условиям, характеру растительных сообществ, почвенным свойствам (рис. 2).

Анализ полученных на четырех полигонах данных показывает пространственно-временную изменчивость температуры почв от поверхности до глубины 3,2 м. Температурный режим мерзлотных дерново–криометаморфических и мерзлотных черноземов квазиглеевых Витимского плоскогорья относятся к мерзлотному типу, а черноземов квазиглеевых Кижингинской котловины и подбуров оподзоленных Восточного Прибайкалья — к длительносезоннопромер-зающему типу (рис. 3).

Автономная работа системы обеспечивается использованием солнечной батареи и аккумулятора. Необходимо также сказать о скрытых автоматических температурных профилемерах, размещенных в разных типах распространения многолетней мерзлоты без выхода на поверхность; заряд батареи до подзарядки рассчитан на пять лет, чтение данных через USB-интерфейс. Специальное программное обеспечение объединяет все датчики комплекса в единую систему контроля природной среды.

Для сравнения почвенного климата приводятся данные с осени 2014 г., по температуре и процессам промерзания и протаивания почв на ключевых участках, где установлены АПИК и почвенные регистраторы в зависимости от типов распространения многолетней мерзлоты: сплошной — центральная часть Витимского плоскогорья (мерзлотные дерново-криометаморфические почвы, полигон «Багдарин»); прерывистой — юг Витимского плоскогорья (мерзлотные чернозе-

Н. Б. Бадмаев, А. В. Базаров, Б.-М. Н. Гончиков, С.-Х. А. Тон. Организация сети автоматических атмосферно-почвенных климатических станций мониторинга динамики южной границы криолитозоны мы квазиглеевые, полигон «Еравна»); островной — север Селенгинского среднегорья (сезонномерзлотные черноземы квазиглеевые, полигон «Кижинга»), Восточного Прибайкалья (сезонномерзлотные подбуры оподзоленные, полигон «Го-рячинск»). Подробная характеристика АПИК, ландшафтов и почв на разных типах многолетней мерзлоты даны ранее [Базаров и др., 2016; Базаров и др., 2017; Бадмаев и др., 2017; Gonchikov et al., 2017].

Date а                                         б

Рис. 2. Температурный и мерзлотный режимы: а — мерзлотных дерново-криометаморфических почв (полигон «Багдарин») и б — мерзлотных черноземов квазиг-леевых (стационар «Еравна»), I---- ¹ — мерзлый слой, I I — сезонно-талый слой

Процесс промерзания мерзлотных дерново-криометаморфических почв центральной части Витимского плоскогорья начинается в конце сентября — начале октября, что на 10–15 и 31 день ранее, чем в почвах полигонов «Еравна», «Ки-жинга» и «Горячинск» соответственно. В мерзлотных типах промерзание заканчивается слиянием в конце октября и в начале ноября со сплошной мерзлотой на глубине 2,0 м в «Багдарине» и на 2,6 м в «Еравне».

а

Рис. 3. Температурный и мерзлотный режимы: а — сезонномерзлотных черноземов квазиглеевых и б — сезонномерзлотных подбуров оподзоленных (стационар «Горячинск»); I---- ¹ — мерзлый слой, I I — сезонно-талый слой

Date

б

Процесс протаивания мерзлотных типов почв начинается с начала апреля — середины мая. Начало промерзания обычно совпадают с первыми заморозками в октябре месяце. Так заканчивается полный цикл промерзания и протаивания мерзлотных дерново-криометаморфических и мерзлотных черноземов квазиглее-вых почв Витимского плоскогорья (рис. 2, 4).

Совершенно другой облик температурного режима наблюдается на черноземах квазиглеевых в «Кижинге» и подбурах оподзоленных Восточного Прибайкалья, в сравнении с почвами Витимского плоскогорья. Эти почвы сезонно промерзают только зимой и до глубины более 2,4 м и 1,6 м соответственно. Процесс протаивания почв на полигоне «Кижинга» начинается в начале апреля, что на 12, 13 и 18 дней раньше, чем на почвах полигонов «Горячинск», «Еравна» и «Багда-рин» соответственно (рис. 3, 4).

Количество дней на промерзание мерзлотных дерново– криометаморфических почв по всему профилю в «Багдарине» составило в среднем за два года 25 дней со скоростью промерзания 10,7 см/дн, что на 20, 85 и 92

дня короче, чем в «Еравне», «Горячинске» и «Кижинге», где скорость составила 7,1 см/дн, 1,1 см/дн и 2,1 см/дн соответственно (табл. 1).

Рис. 4. Даты промерзания и протаивания почв на полигонах АПИК

Протаивание по всему профилю происходит быстрее в подбурах оподзолен-ных и длится 35 дней со скоростью 2,0 см/дн. Это на 70, 83 и 106 дней меньше, чем на полигонах «Багдарин», «Еравна» и «Кижинга», где скорость протаивания составляет 1,5; 2,0 и 1,7 см/дн соответственно. Длительносезоннопромерзающие типы почв за период наблюдений с 2014 г. по сентябрь 2016 г., в мерзлом состоянии находились только 5,5–6 месяцев, оставаясь в подошве породы большую часть года талыми. В мерзлотных же типах почв картина принципиально другая. Здесь мерзлотные почвы сезонно, 4,5–5 месяцев протаивают только летом, оставаясь в подошве (породах) мерзлыми большую часть годового цикла.

Большой интерес вызывает в изученных почвах проникновение положительных температур и их продолжительность на разных глубинах. Сбор, систематизация и анализ этих данных показывают большую неоднородность температурного и мерзлотного режима почв (табл. 2). Для анализа были взяты данные только за 2015 год — полный календарный год от января по декабрь.

Наибольшие различия выявлены в продолжительности положительных температур больше 0°С на глубине 100 см. Так, в подбурах оподзоленных Восточного Прибайкалья данный показатель составляет 276 дней, что на 85, 147 и 151 день превышают продолжительность температур в почвах полигонов «Кижин-га», «Еравна» и «Багдарин» соответственно.

Таблица 1

Продолжительность (дней) и скорость (см) промерзания и протаивания почв

Параметры	Промерзание, 2014 г.	Протаивание, 2015 г.	Промерзание, 2015 г.	Протаивание, 2016 г.
Полигон «Багдарин»
Начало	28.09.2014	22.04.2015	16.10.2015	27.04.2016
Завершение	31.10.2014	13.08.2015	02.11.2015	02.08.2016
Т (дн)	33	113	17	97
V (см/дн)	7,3	1,4	14,1	1,6
Полигон «Еравна»
Начало	12.10.2014	19.04.2015	26.10.15	22.04.2016
Завершение	26.11.2014	25.08.2015	n/d	09.08.2016
Т (дн)	45	128		109
V (см/дн)	7,1	1,9		2,2
Полигон «Кижинга»
Начало	11.10.2014	11.04.2015	07.10.2015	02.04.2016
Завершение	17.02.2015	09.09.2015	21.01.2016	12.08.2016
Т (дн)	129	151	106	132
V (см/дн)	1,9	1,6	2,3	1,8
Полигон «Горячинск»
Начало	10.11.2014	21.04.2015	04.11.2015	16.04.2016
Завершение	26.02.2015	23.05.2015	25.02.2016	25.05.2016
Т (дн)	108	32	113	39
V (см/дн)	1,1	1,9	1,1	2,1

Закономерность проникновения и распределения температуры больше 5°С в этих почвах несколько другая. Различие в поступлении и продолжительности этих температур на глубине 100 см одинаковое в «Кижинге» и «Горячинске» — 109 и 110 дней, а в мерзлотных типах почв намного меньше: в «Багдарине» оно составляет 33, в «Еравне» — 88 дней, с увеличением дней вверх по профилю данных почв.

Принципиально другая картина наблюдается в распределении и продолжительности температур выше 10°С. Здесь уже «доминируют» мерзлотные черноземы карбонатные квазиглеевые, в которых продолжительность дней с температурой больше 10°С составляет 94 дня на глубине 20 см, что на 6, 22 и 27 дней больше чем в «Кижинге», «Багдарине» и «Горячинске» соответственно. Такой парадокс, что мерзлотные почвы на этих глубинах теплее, чем сезонномерзлотные черноземы квазиглеевые почвы и подбуры оподзоленные, можно объяснить континентальным климатом Витимского плоскогорья (жарким летом и холодной зимой). Здесь в мае месяце величина коэффициента увлажнения может доходить до 0,1–0,2, что равняется его величине в полупустыне [Бадмаев, 2008] и поэтому перенос тепла в почву проходит достаточно активно, по сравнению с «гумид-ным» климатом Восточного Прибайкалья. Для этих ландшафтов характерно относительно прохладное лето и мягкая зима, связанные с отепляющим влиянием оз. Байкал. Необходимо также отметить, что температура 10°С до глубины 100 см не доходит.

Таблица 2

Продолжительность положительных температур на разных глубинах в почвах на полигонах АПИК (сентябрь 2014 – октябрь 2016 г.)

Дней в году	Багдарин			Еравна			Кижинга			Горячинск
	t > 0 на глубине, см
	20	50	100	20	50	100	20	50	100	20	50	100
2014	25	34	40	24	36	55	36	54	86	55	79	102
2015	160	139	125	173	159	129	192	182	191	210	225	276
2016	147	123	98	159	150	121	160	44	9	156	136	161
Всего	332	296	263	356	345	305	388	280	286	421	440	539
Дней в году	t > 5°C на глубине, см
	20	50	100	20	50	100	20	50	100	20	50	100
2014	1	2	0	3	7	6	7	8	11	12	22	30
2015	104	85	33	138	115	88	134	109	40	136	131	110
2016	116	93	52	136	121	91	132	17	0	121	106	86
Всего	221	180	85	277	243	185	273	134	51	269	259	226
Дней в году	t > 10°C на глубине, см
	20	50	100	20	50	100	20	50	100	20	50	100
2014	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2015	72	11	0	94	72	0	88	19	0	67	38	0
2016	80	1	0	107	81	0	95	0	0	83	46	0
Всего	152	12	0	201	153	0	183	19	0	150	84	0

Заключение

АПИК позволяет оперативно (в online-режиме) в течение круглого года, с заданной периодичностью получать информацию о показателях атмосферного и почвенного климата, и составлять базу данных для анализа информации, на основе которых появляется возможность выявления более тонких закономерностей динамики показателей температуры, влажности, осадков и, соответственно, характеристик скорости глубины протаивания и промерзания.

Использование АПИК является инновационной разработкой для оперативной, достоверной и экономной оценки. Получаемая информация необходима для составления различных карт, картосхем с термоизоплетами и других графиче- ских форм для более оперативного и достоверного анализа данных в связи с глобальными изменениями климата атмосферы и почв.

Установлены «зеркальные» закономерности процессов протаивания в мерзлотных почвах Витимского проскогорья и промерзания в сезоннопромерзающих почвах севера Селенгинского среднегорья и Восточного Прибайкалья. Показано, что промерзание начинается на полигоне «Багдарин» в конце сентября, что на 10–15 дней раньше, чем в «Еравне», «Кижинге», и на 31 день — чем в «Горячин-ске». Почвы сезонно промерзают зимой в «Кижинге» и «Горячинске» до глубины более 2,4 м и 1,6 м соответственно. Скорость промерзания в 5 раз быстрее в мерзлотных типах почв (Vcр. = 9 см/дн), чем в сезоннопромерзающих типах почв (Vcр. = 1,6 см/дн).

Выявлено, что протаивание начинается в начале апреля на черноземах ква-зиглеевых. Процесс протаивания происходит быстрее в подбурах оподзоленных и длится 35 дней со скоростью 2,0 см/дн, что на 70, 83 и 106 дней меньше, чем на почвах полигонов «Багдарин», «Еравна».

Наибольшие различия выявлены в продолжительности температур больше 0°С на глубине 1 м — 276 дней в подбурах оподзоленных, 191, 129 и 125 дней в «Кижинге», «Еравне» и «Багдарине». Продолжительность дней с температурой больше 10°С на глубине 20 см составляет 94 дня в «Еравне», что на 27, 22 и 6 дней больше, чем в «Горячинске», «Багдарине» и «Кижинге» соответственно.

За период наблюдений в сезоннопромерзающих типах почвах отрицательные температуры отмечаются в течение 5,5–6 месяцев, оставаясь в подошве породы большую часть года в талом состоянии. Мерзлотные типы почв сезонно протаивают только летом на 4,5–5 месяцев, оставаясь в подошве (породах) мерзлыми большую часть года.