Особенности температурного режима светлоземов северотаежных ландшафтов (европейский северо-восток России)

Климат для лесных почв с низкой энергетической обеспеченностью является одним из важнейших экологических факторов [1]. Особый интерес представляют северотаежные и лесотундровые экосистемы, т.к. они находятся в жестких климатических условиях и начинают раньше реагировать на изменение климата по сравнению с сообществами, расположенными в более низких широтах [2]. В последние десятилетия в связи с изменением климата наблюдается постепенное продвижение лесной растительности на север [3], соответственно изменяется температурный режим лесных почв. Мониторинг температурного режима позволяет оценить современное экологическое состояние почв северных лесных ценозов, выявить отклик на межгодовую динамику температуры воздуха, а в перспективе, при наличии более длительного ряда наблюдений, и на изменение климата.

Во второй половине XX в. на европейском Северо-Востоке России изучался температурный режим глееподзолистых почв северной тайги. И.В. Забоевой [4] показана сравнительная характеристика температурных режимов целинной и освоенной глееподзолистых почв. В работе А.В. Кононенко [5] проведен детальный анализ закономерностей изменения гидротермического режима целинных подзолистых почв при их освоении, показана связь почвенных режимов с продуктивностью сельскохозяйственных культур.

В настоящее время в соответствии с принципами новой классификации почв России [6] в пределах экотона «северная тайга – южная тундра» активно выделяются светлоземы [7, 8]. Они позиционируются как автоморфные почвы северной тайги и редколесий лесотундры европейского Северо-Востока [6], широко распространенные на легких пылеватых суглинках. В подзональном аспекте светлоземы характеризуются усилением морфологических признаков криогенного оструктуривания в средней части профиля. Тем не менее, светлоземы остаются относительно слабо исследованными почвами в отношении режимов, в т.ч. и температурных. Это обусловливает актуальность исследований современного температурного режима свет-лоземов с учетом их зональных (подзональных) особенностей.

С 2008 г. сотрудниками Института биологии Коми НЦ УрО РАН начато проведение долгосрочного температурного мониторинга светлоземов, формирующихся в автоморфных условиях северотаежных ценозов: в лесотундре, крайнесеверной и северной тайге. Цель статьи – охарактеризовать основные параметры температурного режима северотаежных и лесотундровых светлоземов с учетом их подзональных особенностей.

Объекты и методы исследований

Район исследований расположен в северной части Республики Коми, которая характеризуется умеренно-континентальным умеренно-холодным климатом. Зона лесотундры находится в пределах субарктического климатического пояса, зона тайги – в умеренном. Климатические параметры участков исследований представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные климатические параметры ключевых участков (Атлас…, 1997)

Участок/ параметр

о

к ф"

ч 0)

о

Сейда

Пышор

Инта

Троицко-Печорск

Чиньяво-рык

-5,512,5

-5,513

-413,5

-1,516

-214

-21,5 1000

-21,5 1050

-19,5 1250

-18   1700

-17,5 1500

о

ф а о

Исследования температурного режима автоморфных светлоземов проводились в 2008–2011 гг. на двух ключевых участках в зоне лесотундры и трех участков в зоне тайги: одном в подзоне крайнесеверной тайги и двух – в северной тайге (рис. 1, табл. 2).

Выбор объектов исследования обусловлен расположением профилей в пределах экотона «лесотундра – северная тайга». В пределах переходной полосы с севера на юг постепенно увеличивается температура воздуха, повышается бонитет-ность лесов, изменяется структура почвенно-растительного покрова. Лесотундра на европейском Северо-Востоке представлена чередованием низкорослых (7–8 м) елово-березовых редколесий и тундровых сообществ. Лесные сообщества здесь приурочены к наиболее теплым и дренированным местообитаниям. На севере таежной зоны вдоль Полярного круга выделяется узкая полоса крайнесеверной тайги, где формируются разреженные зеленомошные и лишайниково-зеленомошные леса паркового облика. Древостой отличается большей сомкнутостью (0,3–0,5) и высотой деревьев (8– 12 м). Крайнесеверная тайга сменяется сплошной полосой северной тайги, где господствуют сомкнутые зеленомошно-черничные ельники IV–V класса бонитетов. Средняя высота деревьев в северной тайге достигает 15–20 м [9].

Названия почв и индексы горизонтов даны по классификации почв России [6]. В табл. 2 приведены используемые далее по тексту краткие названия почв. Исследования почвенных температур проводили с помощью цифровых логгеров HOBO, установленных на глубине 0, 20, 50, 100 см и запрограммированных на восемь измерений в сутки. Датчики логгеров закреплены на деревянной палке, которая погружена в скважину (отверстие) диаметром 3 см и глубиной 100 см. Определение мощности снежного покрова проводили в марте. Температуру воздуха для расчетов брали по материалам Атласа Республики Коми по климату и гидрологии [10] и данным цифровых логгеров Hobo, установленных на участках исследований. При расчете основных показателей температуры воздуха, почв и осадков учитывались данные за гидрологический год (1 октября – 30 сентября).

Результаты и обсуждение

Зимний температурный режим почв. Сезонное промерзание верхней части лесных почв начинается с приходом устойчивых отрицательных температур воздуха. В лесотундре отрицательные температуры на поверхности почвы устанавливаются в конце октября – первой половине ноября. В почвах таежной зоны этот период приходится на ноябрь. Наиболее поздние сроки замерзания поверхности почвы отмечены в Троицко-Печорском районе (конец ноября – начало декабря).

В исследуемых почвах осеннее промерзание происходит постепенно, на глубине 20 см устойчивые отрицательные температуры обычно устанав-

Рис. 1. Географическое положение участков исследований.

Таблица 2

Номер и индекс почвенного профиля	Координаты	Административный район Республики Коми	Ландшафт	Средняя максимальная мощность снега, см	Строение профиля почвы	Название почвы (Классификация почв России, 2004)	Название почвы по тексту статьи
5-ПА	67°02′ с. ш., 63°03′ в. д.	Воркутинский	Лесотундра. Бассейн р. Усы. Пологий склон плоского холма восточной экспозиции. Березово-еловое редколесье. Кустарниковый ярус представлен ивами и ерником. Кустарнички: багульник, голубика, водяника, брусника, черника. В наземном покрове – зеленые и политриховые мхи, ягель.	145-175	O (0-4) – Eg (4-8) – BF (8-14) – CRMg (14-33) – CRM (33-58) – CRMC (58-85+)	Светлозём иллюви-ально-железис-тый глееватый	Почва участка Сейда
9-ПА	66°53′ с. ш., 62°49′ в. д.	Воркутинский	Лесотундра. Бассейн р. Усы. Склон пологого холма. Низ-кобонитетный разреженный березово-еловый лес. Кустарниковый ярус представлен ивой и ерником. Кустарнички: шиповник, черника, голубика, водяника, брусника. В наземном покрове – хвощ, лишайники, зеленые и по-литриховые мхи.	>200	O (0-5) – Eg (5-7) – BF (7-15) – CRM 1 (15-25) – CRM 2 (25-45) – CRM 3 (45-70) -CRMCg (70110)	Светлозём иллювиально-железистый	Почва участка Пышор
32-ПА	65°56′ с. ш., 60°18′ в. д.	Интинский	Крайнесеверная тайга. Дренированная приречная часть водораздела. Березово-еловый лес. Кустарничковый ярус представлен черникой, брусникой, багульником, во-дяникой. Встречаются куртины политрихового мха и ягеля, плаун и хвощ.	Нет данных	O (0-6) – Eg (6-10) – BF (10-20) – CRMf (20-35) – CRM (35-55) – 2CRMt (55-75) - Dg (75-160)	Светлозем иллювиально-железистый глинисто-иллювиированный глееватый	Почва участка Инта

Окончание табл. 2

Номер и индекс почвенного профиля	Координаты	Административный район Республики Коми	Ландшафт	Средняя максимальная мощность снега, см	Строение профиля почвы	Название почвы (Классификация почв России, 2004)	Название почвы по тексту статьи
30-ПА	62°42′30″с. ш., 56°08′ в. д.	Троицко-Печорский	Северная тайга. Плоская вершина холма. Еловый лес с примесью березы, пихты. Подлесок: можжевельник, жимолость, шиповник. Наземный покров мохово-кустарничковый: черника, брусника, зеленые мхи с куртинами политриховых мхов, хвощ, разреженный травяной покров: майник двулистный, костяника, кислица.	70	O (0-5) – E (5-16) – Ef (16-30) – CRM 1 (30-45) – CRM 2 (4580) – 2CRM (80-105) – CRMt (105150) – CRMC (150-170)	Светлозем иллювиально-железистый глинисто-иллювиированный поверхностно-глееватый	Почва участка Троицко-Печорск
2-Ж	63° 51' с.ш., 52° 09' в.д.	Княжпогост-ский	Северная тайга. Верхняя часть дренированного увала. Еловый лес с примесью березы, лиственницы. В подросте ель, в подлеске рябина, можжевельник. Напочвенный покров: зеленые мхи, кустарнички черники, брусника, майник двулистный, папоротники.	Нет данных	O (0-8) – E (8-13) – BF (13-23) – CRM 1 (23-33) – CRM 2 (3348) – BT (48100) - BC (100-140)	Светлозем иллювиально-железистый текстурнодифференцированный	Почва участка Чиньяво-рык

Характеристика объектов исследования

ливаются в декабре или январе. Наиболее быстрое промерзание происходит в почве участка Сейда. Только в профиле этой почвы под елово-березовым редколесьем с середины февраля до конца апреля суботрицательные температуры фиксируются на глубине 50 см. В другом лесотундровом профиле (участок Пышор) на глубине 50 см отмечаются только околонулевые субположительные температуры.

Наиболее холодной оказалась почва участка Сейда с минимальными температурами на поверхности почвы до -10 °С, на глубине 20 см температура снижается до -1 °С. Значительное зимнее охлаждение также характерно для профиля на участке Чиньяворык. Участок Троицко-Печорск характеризуется наиболее мягким зимним температурным режимом.

Диапазон сумм отрицательных температур рассматриваемых почв на поверхности составил -65…-429 °С∙дней (табл. 3). Cуммарный диапазон значений этого показателя в почвах лесотундры частично перекрывается с диапазоном в северотаежных профилях. В почвах лесотундры и тайги на глубине 20 см диапазоны сумм отрицательных температур перекрываются на 75% (табл. 3). Наибольшее охлаждение происходит в почвах лесотундры и крайнесеверной тайги. Наименьшими суммами отрицательных температур характеризуются почвы двух северотаежных участков (табл. 3).

«Нулевые завесы» – субположительные (+0 +0,1 ºC) или суботрицательные (-0 -0,1 ºC) температуры в таежных почвах выражены в верхней части профиля (глубина 20 см). На данной глубине обычно залегает криометаморфический горизонт CRM. Продолжительность периода «нулевых завес» здесь обычно варьирует от 15 до 30 дней. Исключение составила почва на участке Инта, где околонулевые температуры на глубине 20 см в 2008 г. продержались более трех месяцев. Для почв лесотундры длительные нулевые завесы на- блюдаются на глубине 50 см (горизонт CRM), что связано с их более глубоким промерзанием. В криометаморфическом горизонте такие температуры устанавливаются относительно поздно и сохраняются на протяжении всей весны.

Таким образом, глубина проникновения и продолжительность периода околонулевых температур определяются холодностью температурного режима зимой. При исследовании температурного режима почв региона Г.Г. Мажитова [11] отмечает, что слой длительных околонулевых температур примерно совпадает с оструктуренным горизонтом, хорошо выраженным во многих суглинистых почвах.

В относительно холодных почвах лесотундры околонулевые температуры проникают в криомета-морфический горизонт гораздо чаще в сравнении с более теплыми почвами таежных участков. Морфологическая выраженность криометаморфического горизонта в светлоземах возрастает к северу, достигая максимума в почвах лесотундры и южной тундры [8]. Наиболее продолжительные нулевые завесы в средней части профиля фиксируются в почвах лесотундры.

Таким образом, в светлоземах в пределах рассматриваемого экотона «лесотундра – северная тайга» с севера на юг уменьшение морфологической выраженности криометаморфического горизонта сопровождается повышением его зимних температур от суботрицательных до положительных значений. Очевидно, что генезис криомета-морфического горизонта связан с продолжительным периодом околонулевых температур на глубине формирования CRM.

Самым холодным месяцем на поверхности почвы может быть любой из зимних (декабрь, январь, февраль), диапазон минимальных среднемесячных температур составил -0,7…-4,2 ºC. На глубине 20 см минимальные среднемесячные температуры (+0,1…-1,1 ºC) обычно фиксируются в феврале и марте. На глубине 50 см в лесотундровых почвах

Таблица 3

Суммы отрицательных и положительных среднесуточных температур почв, °С∙дней Глубина, см Почвенный горизонт Гидрологические годы 2008-2009 2009-2010 2010-2011 отриц. полож. отриц. полож. отриц .         полож. 1. Почва участка Сейда 0 O -178 886 не опр. 1164 -429 1166 20 CRMg -83 766 не опр. 861 -82 699 50 CRM -16 708 не опр. 789 -3 553 100 CRMC 0 719 не опр. 726 0 553 2. Почва участка Пышор 0 O не опр. не опр. -190 1164 -137 1181 20 CRM1 не опр. не опр. -31 861 -18 819 50 CRM3 не опр. не опр. 0 789 0 731 100 CRMCg не опр. не опр. 0 726 0 648 3. Почва участка Инта 0 O -94 1448 -145 1519 -209 1036 20 CRMf 0 0 1247 1370 -8 1238 -64 598 50 CRM 0 1451 0 629 100 Dg 0 1172 0 1230 0 не опр. 4. Почва участка Троицко-Печорск 0 O не опр. не опр. -149 1601 -146 1510 20 Ef не опр. не опр. -25 1282 -26 1198 50 CRM2 не опр. не опр. 0 1209 0 1139 100 2CRM не опр. не опр. 0 1155 0 1084 5. Почва участка Чиньяворык -65 1468 0 O -157 1577 -171 1767 20 CRM1 0 0 1444 1431 -15 1385 -18 1411 50 BT 0 1352 0 1417 100 BC 0 1388 0 1323 0 1352 минимальные среднемесячные температуры (+0,1… -0,2 ºC) отмечаются в весенние месяцы, в таежных профилях этот период сдвигается к февралю – апрелю (+0,8…+0,1 ºC). На глубине 100 см период минимальных среднемесячных температур (+0,9… +0,2 ºC) приходится на апрель – май.

На глубине 0 и 20 см диапазоны минимальных среднемесячных температур почв лесотундры и тайги перекрываются частично. На глубине 50 и 100 см они не перекрываются. Этот факт связан с большим охлаждающим эффектом подстилающих почвообразующих пород в зоне лесотундры.

Летний температурный режим почв. Оттаивание почв на участках в лесотундре и тайге начинается со сходом снежного покрова (конец апреля – первая половина мая). Самый теплый месяц на поверхности почвы (+9…+15 ºC) и глубине 20 см

(+6…+12 ºC) – июль или август. Максимальные среднемесячные температуры на глубине 50 см (+4…+11 ºC) наблюдаются преимущественно в августе. На глубине 1 м в почвах лесотундры максимальные температуры (+4…+6 ºC) фиксируются в сентябре или августе, в таежных почвах – в августе (+7…+10 ºC). На этой глубине их интервалы не перекрываются. Это связано с замедленным распространением теплового импульса в почвогрунтах лесотундровых ландшафтов.

Диапазон сумм температур >0 °С на глубине 0 см за все годы наблюдений во всех почвах составил 886…1767 °С∙дней (табл. 3). Приход тепла на поверхность таежных и лесотундровых почв несколько отличается, их диапазоны перекрываются лишь частично. Сравнивая группы почв зон лесотундры и тайги, необходимо отметить, что первые получают меньше тепла, что связано с более высокими температурами воздуха в таежной зоне.

На глубине 20 см суммы положительных температур в 1,2-2 раза ниже по сравнению с поверхностью (табл. 3). Минимальные суммы характерны соответственно для лесотундровых участков. На глубине 50 см суммы положительных температур в таежных участках (886…1767 °С∙дней) почти в два раза выше, чем в лесотундровых (553…789 °С∙ дней). Данные различия максимально выражены на глубине 1 м, где диапазоны лесотундровых и таежных почв значительно различаются (табл. 3). Максимальные суммы положительных температур по всему профилю зафиксированы в светлоземе на участке Чиньяворык.

тайги частично перекрываются. В целом, в почвах зоны тайги среднегодовые температуры выше в 1,5 раза. На глубине 1 м выявлены наибольшие различия по среднегодовым температурам. Значения среднегодовых температур (около +2 ºC) в почвах редколесий лесотундры ближе к таковым тундровых немерзлотных почв [11]. Северотаежные автоморфные почвы со среднегодовыми температурами в интервале +2…+4 °С составляют самую теплую ступень температурного ряда автоморфных почв в пределах обширного тундрово-таежного экотона.

Диапазон сезонных колебаний температуры постепенно снижается от поверхности почвы вниз по профилю. Коридор сезонных колебаний температуры по сравнению с тундровыми почвами сме-

■ 2008-2009       ■ 2009-2010         2010-2011

Рис. 2. Среднегодовые температуры почв, °С.

щается в положительную сторону и становится более узким. В отличие от тундровых почв [12] выраженные сезонные колебания в отрицательном диапазоне температур характерны только для поверхностных горизонтов почвы. Сезонные колебания температуры еще четко выражены на глубине 1 м, однако их годовая амплитуда не превышает 10 °С.

Тем не менее, для исследуемых почв среднегодовая температура практически одинакова по всей толще профиля. Это связано с компенсирующим действием друг на друга сумм положительных и отрицательных температур, значения которых пропорционально уменьшаются с глубиной.

Заключение

Генезис криометаморфического горизонта связан с продолжительным периодом околонулевых температур на глубине формирования CRM. В светлоземах рассматриваемого экотона «лесотундра – северная тайга» с севера на юг уменьшение морфологической выраженности крио-метаморфического горизонта сопровождается повышением его зимних температур.

Светлоземы лесотундры отличаются более быстрым промерзанием и холодным зимним температурным режимом по сравнению с автоморфными почвами северной тайги. Почвы лесотундры и тайги имеют схожий летний температурный режим в поверхностных горизонтах, однако различия в сумме положительных температур увеличиваются вниз по профилю. Среднегодовые температуры светлоземов лесотундры в 1,5 раза ниже аналогичных северотаежных профилей.

Годовые показатели температурного режима почв. Общий диапазон среднегодовых температур на глубинах 20 и 50 см в исследуемых почвах составил 1,5…3,8 °С, и 1,5…3,7° C соответственно (рис. 2). На глубинах от 0 до 50 см диапазоны среднегодовых температур почв лесотундры и

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Президиума РАН №15-15-4-46 "Взаимосвязь биоразнообразия и биопродукцион-ного потенциала наземных экосистем Европейской Арктики с особенностями формирования мерзлотных почв и динамическими аспектами их трансформации в современных условиях климата", проекта Thermal State of Permafrost (TSP) Университета Аляски (Фербенкс, США).