Температурный режим подзолистых почв Предуралья в связи с потеплением климата

Климат для лесных почв с низкой энергетической обеспеченностью является одним из важнейших экологических факторов. Изучению закономерностей повышения термообеспеченности подзолистых почв Предуралья в связи с современной тенденцией потепления климата посвящена настоящая работа.

Объекты и методы исследования. Для характеристики температурного режима были взяты подзолистые почвы Предуралья, характеризуемые данными метеостанций Ивдель и Березники. Почва метеостанции Ивдель подзолистая супесчаная с примесью гравия до глубины 0,8 м, в слое 0,8-2,4 м – глина с примесью гравия. Глубина грунтовых вод – 4-6 м. Почва метеостанции Березники подзолистая супесчаная иллювиально-железистая.

Результаты и обсуждение. Исследуемые почвы различаются между собой гранулометрическим составом и глубиной залегания грунтовых вод. В данном случае глубина грунтовых вод и гранулометрический состав являются основным фактором температурного режима. Неглубокое залегание грунтовых вод действует на температурный режим охлаждающе, так как на нагревание воды требуется больше тепла, чем на минеральный субстрат (песок). Повышенная обводненность подзолистой тяжелосуглинистой почвы (метеостанция Ивдель) является тем фактором, при котором климатическая норма температуры почвы на глубинах от 20 до 320 см не поднимается выше 3,5-4,2ºС (табл. 1). Весьма характерно, что температура подзолистой тяжелосуглинистой почвы на глубине 20 см на 0,7ºС ниже, чем на глубине 3,2 м. В данном случае грунтовые воды оказывают отепляющее влияние на нижние горизонты почвы. С другой стороны,

Худяков Олег Иванович, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

Бедрина Татьяна Николаевна, аспирантка современное потепление климата оказало отепляющее влияние на весь профиль почвы до глубины 3,2 м. Сравнение климатической нормы температуры почвы со среднедесятилетней температурой почвы за период 1991-2000 гг. показывает увеличение температуры от 0,5ºС на глубине 20 см до 0,2ºС на глубине 320 см. Потепление климата за период 1991-2000 гг. вызвало увеличение среднедесятилетних температур, но это увеличение температур по всей толще почвы произошло в диапазоне от 3,5 до 4,0ºС на глубине 20 см и от 4,2 до 4,4ºС на глубине 320 см, что даже не достигло первого биологического минимума (5ºС).

Климатическая норма температуры подзолистой тяжелосуглинистой почвы летнего сезона изменяется по профилю почвы от 9,6ºС на глубине 20 см до 4,2ºС на глубине 320 см. Климатическая норма времени характерного проявления длительности летнего сезона составляет 7 месяцев. Климатическая норма температуры почвы зимнего сезона изменяется от –4,9ºС на глубине 20 см до -0,1ºС на глубине 160 см, при этом глубина проникновения 0ºС достигает 190 см. Ниже 190 см сезонная мерзлота отсутствует. Климатическая норма времени характерного пребывания подзолистой почвы в мерзлом состоянии изменяется от 5месяцев на глубине 20 см до 2 месяцев на глубине 160 см. Потепление климата за период 1991-2000 гг.вызвало повышение температуры тундровой подзолистой тяжелосуглинистой почвы на глубине 20 см с 3,5 до 4,0ºС, что составляет 0,5ºС. Превышение среднедесятилетней температуры за период 1991-2000 гг. по отношению к климатической норме отмечается по всему профилю почвы от 0,6ºС на глубине 40 см до 0,2ºС на глубине 320 см.

Для подзолистых почв современное потепление климата привело к повышению температуры почвы по отношению к климатической норме и уменьшению глубины сезонного промерзания, однако длительность времени характерного проявления нахождения почвы в мерзлом и талом состояниях подзолистых тяжелосуглинистых почв по метеостанции Ивдель не изменилось. Климатическая норма температуры подзолистых песчаных почв, характеризуемая данными метеостанции Березники за период 1961-1990 гг., изменяется по профилю почвы от 6,2ºС на глубине 20 см до 6,0ºС на глубине 320 см. Современное потепление климата вызвало повышение среднемноголетней температуры почвы от 6,8ºС на глубине 20 см до 6,5ºС на глубине 320 см.

Средняя десятилетняя температура подзолистой почвы составила 6,5ºС, что находится несколько выше, чем температура первого биологического минимума (5,0ºC). Повышение среднедесятилетней температуры за период 1991-2000 гг. по сравнению с климатической нормой составляет от 0,6ºС на глубине 20 см до 0,5ºС на глубине 320 см. Таким образом, современное потепление климата вызвало увеличение среднемноголетних температур подзолистых почв за период 19912000 гг. по сравнению с климатической нормой, рассчитанной за период 1961-1990 гг.

Таблица 1. Климатические параметры подзолистой почвы

Станция	Период	Месяцы	Глубины
			20	40	80	120	160	240	320
Ивдель Свердловская обл. почва - подзолистая тяжелосуглинистая	19611990	1	-6,4	-4,1	-1,3	0,1	1,5	2,5	3,5
		2	-7,0	-5,0	-2,7	-1,1	0,6	1,6	2,6
		3	-4,3	-3,7	-2,3	-1,2	-0,2	0,9	2,0
		4	0,3	-0.4	-0,3	-0,1	0,0	0,7	1,5
		5	6,7	3,8	1,1	0,7	0,4	0,9	1,4
		6	14,3	11,0	7,3	5,1	2,9	2,5	2,0
		7	18,9	16,5	13,5	11,0	8,4	6,4	4,4
		8	15,7	14,9	13,7	12,1	10,5	8,7	6,8
		9	9,5	10.0	10,4	10,1	9,8	8,9	7,9
		10	2,1	3.7	5,3	6,2	7,1	7,2	7,4
		11	-2,2	0,2	1.9	3,1	4,4	5,2	6,0
		12	-4,8	-2,1	0,4	1.6	2,7	3.6	4.6
климатическая норма		год	3,5	3,7	3,9	4,0	4,0	4,1	4,2
летнего сезона зимнего сезона глубина проникновения 00С, см длительность летнего сезона, мес. длительность зимнего сезона, мес.			9,6 -4,9 190 7 5	8,6 -3,1 7 5	6,7 7,1 8 4	5,6 -0,8 9 3	4,8 -0,1 10 2	4,1 12 0	4,2 12 0
Ивдель Свердловская обл. почва - подзолистая тяжелосуглинистая	19912000	1	-6,1	-3,8	-1,2	0,2	1,6	2,7	3,7
		2	-5,9	-4,2	-2,1	-0,1	0,8	1,8	2,8
		3	-3.4	-2,6	-1,8	-0,8	0,2	1,2	2,2
		4	0.5	-0,2	-0,3	0,0	0,2	1,5	1.8
		5	7,5	4,3	1,7	1,2	0,7	1,2	1,7
		6	15,7	12,5	8,9	6,5	4,1	3,2	2,4
		7	19,0	16.6	13,9	11,4	8,8	6,8	4,8
		8	15,8	15,1	14,1	12.5	10,9	9,0	7,1
		9	9,6	10,2	10,6	10,3	10,0	9,1	8,1
		10	3,4	4,5	6,0	6,8	7,5	7.5	7,6
		11	-1,5	0.5	2,3	3,5	4,7	5,5	6,3
		12	-4,4	-2,3	0,4	1,6	2,9	3,9	4,9
средняя		год	4,0	4.3	4.4	4,4	4,4	4,4	4,4
летнего сезона			10,2	9,1	7,2	6,0	4,4	4,4	4,4
зимнего сезона			-4,3	-2,6	-1,4	-0,3
глубина проникновения 0º С, см			125
длительность летнего сезона, мес.			7	7	8	9	12	12	12
длительность зимнего сезона, мес.			5	5	4	3	0	0	0

Осенняя сезонная климатическая стадия характеризуется нахождением подзолистых песчаных почв в спектре положительных температур. Климатическая норма температуры подзолистых тяжелосуглинистых почв изменяется по профилю от 3,1ºС на глубине 20 см до 7,1ºС на глубине 320 см и от 4,8ºС на глубине 20 см до 8,5ºС на глубине 320 см подзолистых песчаных почв.

Потепление климата вызвало увеличение среднемноголетних температур (1991-2000 гг.) по всему профилю почв (табл. 2). В подзолистых тяжелосуглинистых почвах повышение температуры составило от 0,7ºС на глубине 20 см до 0,3ºС на глубине 320 см, а в подзолистых песчаных почвах повышение среднедесятилетней температуры на глубине 20 см составило 0,9ºС, ниже глубины 20 см она снижается до 0,1ºС на глубине 120 см, а на глубине 320 см повышение температуры составило 0,3ºС. Столь широкий диапазон изменения температуры подзолистых почв за последнее десятилетие (1991-2000 гг.) определяется температурной динамикой каждого из осенних месяцев, и, в первую очередь температурой почвы в самый холодный осенний месяц. Самым холодным месяцем осени, когда начинается промерзание почвы, является ноябрь. В ноябре в подзолистых тяжелосуглинистых почвах на глубине 20 см отмечается самая низкая среднемноголетняя температура (-2,2ºС) за период 1961-1990 гг. С глубиной температура почвы в осенний период повышается постепенно, достигнув своего максимума (6ºС) на глубине 320 см (табл. 2). Сравнение среднедесятилетней температуры подзолистых почв за период 1961-1990 гг. со средними многолетними температурами ноября в период 1991-2000 гг. показывает общее увеличение температуры почвы до глубины 3,2 м. Потепление климата за этот период привело к увеличению среднедесятилетней температуры почвы от 0,7ºС на глубине 20 см до 0,3ºС на глубине 320 см.

Таблица 2. Сезонные стадии климата почв

Изменение многолетней среднесезонной температуры подзолистой почвы
Подзолистая тяжелосуглинистая почва. Метеостанция Ивдель
глубина, см	осень			зима			весна			лето
	19611990	19912000	повы шение	19611990	19912000	повы шение	19611990	19912000	повы шение	19611990	19912000	повы шение
20	3,1	3,8	0,7	-6,1	-5,5	0,6	0,9	1,5	0,6	16,3	16,8	0,5
40	4,5	5,1	0,6	-3,7	-3,4	0,3	-0,1	0,5	0,6	14,1	14,7	0,6
80	5,9	6,3	0,4	-1,2	-1,0	0,2	-0,5	-0,1	0,4	11,5	12,3	0,8
120	6,5	6,9	0,4	0,9	0,6	0,3	-0,2	0,1	0,3	9,4	9,9	0,5
160	7,2	7,4	0,2	1,6	1,8	0,2	0,1	0,4	0,3	7,3	7,6	0,3
240	7,2	7,4	0,2	2,6	3,4	1,2	0,8	1,2	0,4	5,9	6,2	0,3
320	7,1	7,4	0,3	3,6	4,0	0,4	1,7	1,9	0,2	4,5	4,8	0,3
средняя в слое 320 см	5,9	6,3	0,4	-0,3	-0,1	0,2	0,4	0,8	0,4	9,8	10,3	0,5
Подзолистая супесчаная почва. Метеостанция Березники
20	4,8	5,7	0,9	-0,2	0,2	0,4	3,4	3,8	0,4	16,8	17,6	0,8
40	5,5	6,2	0,7	0,3	0,6	0,3	3,0	3,2	0,2	15,9	16,6	0,7
80	6,8	7,5	0,7	1,1	1,5	0,4	2,5	2,6	0,1	14,1	14,1	0,0
120	7,7	8,3	0,6	2,0	2,4	0,4	2,3	2,6	0,3	12,3	12,6	0,3
160	8,4	8,5	0,1	3,2	3,4	0,2	2,3	2,6	0,3	10,6	10,7	0,1
240	8,8	9,0	0,2	4,5	5,1	0,6	2,9	3,3	0,4	7,8	7,9	0,1
320	8,5	8,8	0,3	5,5	6,1	0,6	3,6	4,3	0,7	5,7	6,6	0,9
средняя в слое 320 см	7,2	7,7	0,5	3,2	2,8	0,4	2,8	3,2	0,4	11,9	12,3	0,4

Сравнение климатической нормы температуры подзолистых песчаных почв со среднедекадной температурой подзолистых почв за ноябрь месяц показывает общее увеличение температуры по всему профилю почвы до глубины 3,2 м, причем превышение среднедесятилетней температуры над климатической нормой за период 1991-2000 гг. составляет 0,5-0,6ºС. Таким образом, для подзолистых почв современное потепление климата в осенний период привело к увеличению среднедесятилетней температуры в профиле почвы до глубины 320 см.

Зимняя сезонная климатическая стадия подзолистых почв характеризуется пребыванием верхних горизонтов в мерзлом состоянии при самых низких температурах в годовом цикле. В этот период в профиле почвы отмечается общая закономерность, при которой самые низкие температуры отмечаются в верхней промерзающей части профиля. В подзолистых тяжелосуглинистых почвах климатическая норма составила –

6,1ºС на глубине 20 см, увеличиваясь вниз по профилю до 3,6ºС на глубине 320 см. Среднедесятилетняя температура подзолистой супесчаной почвы за период 1991-2000 гг. на глубине 20 см составляет 0,20С. Вниз по профилю почвы среднедесятилетняя температура увеличивается, достигая своих максимальных значений (5,5ºС) на глубине 320 см (табл. 2). Сравнение климатической нормы с температурой за период 19912000 гг. показывает, что потепление климата вызвало увеличение среднедесятилетней температуры подзолистых почв до глубины 320 см. Увеличение среднедесятилетних температур почвы зимнего периода связано с повышением среднедесятилетних температур почвы в каждом месяце осенней стадии климата. Например, по данным метеостанции Березники повышение средней десятилетней температуры почвы на глубине 20 см в сентябре и октябре за период 1991-2000 гг. в связи с потеплением общего климата происходило в положительном спектре температур от 10,5 (сентябрь) и 3,1ºС (ноябрь) за период 1961-1990 гг. до 11,0 (сентябрь) и 5,1ºС (октябрь) за период 1991-2000 гг. Повышение температуры подзолистых песчаных почв в самый холодный зимний месяц (февраль) отмечалось с –0,2ºС (1961-1990 гг.) на глубине 20 см до 0,2ºС за период 1991-2000 гг. В подзолистых тяжелосуглинистых почвах климатическая норма составляет –7,0ºС на глубине 20 см (табл. 2). Среднемноголетняя температура подзолистых почв в феврале за период 1991-2000 гг. составляет -5,9ºС. С глубиной температура почвы повышается до 2,8ºС на глубине 320 см.

Весенняя климатическая стадия характеризуется началом протаивания подзолистых почв и повышением температур почвы в отрицательном спектре температур. Протаивание подзолистых почв происходит одновременно снизу и сверху, поэтому в апреле месяце почва в слое 40-120 см имеет отрицательную температуру, в то время как на глубине 20 см отмечается положительная температура (0,9ºС). Среднемноголетняя температура почвы на глубине 20, 160, 240 и 320 см имеет положительное значение, причем самая высокая 1,7ºС отмечается на глубине 320 см, самая низкая из положительных значений температура отмечается на глубине 160 см и составляет 0,1ºС. Анализ среднемноголетней температуры подзолистых супесчаных почв, показывает, что климатическая норма температуры весенней климатической стадии всего профиля почвы положительная, причем максимальные значения температуры отмечаются на глубине 320 см (3,6ºС). Наличие в весенний период мерзлого слоя в подзолистых тяжелосуглинистых почвах и отсутствие мерзлоты в подзолистых песчаных почвах объясняется их глубиной грунтовых вод, грансоставом и др. Современное потепление климата за период 1991-

2000 гг. вызвало повышение среднедесятилетних температур подзолистых почв до глубины 320 см. В подзолистых тяжелосуглинистых почвах (метеостанция Ивдель) среднедесятилетняя температура на глубине 20 см повысилась с 0,9 до 1,5ºС, что составляет 0,6ºС, в то время как на глубине 320 см повышение среднедесятилетней температуры составило 0,2ºС, от 1,7 до 1,9ºС. Повышение среднедесятилетней температуры в связи с потеплением климата, уменьшило глубину промерзания и повысило температуру профиля почвы. Отрицательная среднедесятилетняя температура за период 1991-2000 гг. отмечается лишь на глубине 80 см. Аналогичная закономерность, в связи с потеплением климата, отмечается и в подзолистых песчаных почвах, однако в этих почвах повышение среднедесятилетних (1991-2000 гг.) температур произошло в диапазоне положительных весенних температур почвы, при котором среднедесятилетняя температура профиля почвы повысилась от 0,4ºС на глубине 20 см до 0,7ºС на глубине 320 см, однако, на глубинах 40, 80, 120 и 160 см повышение составило от 0,2 до 0,3ºС. Несколько иная закономерность в распределении температур по профилю отмечается для подзолистых тяжелосуглинистых почв, в которых современное потеп-ленние климата вызвало повышение температуры на глубинах 20, 160, 240 и 320 см, в то время как на глубинах 40 и 80 см среднедесятилетняя температура почвы снизилась на 0,2 и 0,5ºС, а на глубине 120 см температура почвы не изменилась. Такое распределение температуры по профилю почвы говорит о том, что в подзолистых песчаных почвах наметилась тенденция к снижению температур, к похолоданию.

Летняя сезонная климатическая стадия для подзолистых почв характеризуется проникновением в почву максимальных положительных температур. Для летнего периода подзолистых почв характерен положительный градиент температур, при котором максимальные среднемноголетние температуры отмечаются в верхних горизонтах, а минимальные температуры отмечаются в нижних горизонтах почвы (табл. 2). Максимальная температура летнего периода отмечается в почве на глубине 20 см в июле месяце, глубина проникновения биологически активных температур 5 и 10ºС для подзолистых тяжелосуглинистых почв достигает 300 и 140 см соответственно. В подзолистых песчаных почвах биологически активная температура 5ºС проникает ниже 320 см, а термоизоплета 10ºС отмечается на глубине 260 см. Климатическая норма температуры подзолистой тяжелосуглинистой почвы в слое 320 см составила 3,9ºС, а в подзолистых песчаных почвах климатическая норма температуры в слое 320 см составляет 6,5ºС. Современное потепление климата вызвало увеличение средней десятилетней температуры подзолистой тяжелосуглинистой почвы в слое 320 см с 3,9ºС до 4,3ºС и с 6,1ºС до 6,5ºС подзолистой песчаной почвы. Повышение средних десятилетних температур в слое 320 см произошло за счет повышения средней десятилетней температуры на глубине 80 см (с 11,5 до 12,3ºС) на 0,8ºС, в то время как на глубине 20 и 40 см повышение составило 0,5 и 0,6ºС соответственно и на 0,3ºС на глубинах 160, 240 и 320 см. Повышение температуры подзолистой почвы отмечается на глубине 20 и 40 см на 0,8 и 0,7ºС соответственно, и на 0,3ºС на глубине 120 см, а на глубинах 160, 240 и 320 см повышение температуры составило 0,1ºС (табл. 2). Самым теплым месяцем летней климатической стадии является июль. Среднемноголетняя температура подзолистых почв в июле месяце по метеостанции Ивдель за период 1961-1990 гг. достигает 18,9ºС на глубине 20 см (табл. 2). С глубиной она снижается до 4,4ºС.

Для подзолистых почв (метеостанция Ив-дель) за период 1991-2000 гг. средняя температура июля составила 19,0ºС, а на глубине 320 см она снижается до 4,8ºС. Для подзолистых почв, характеризуемых данными метеостанции Березники среднемноголетняя температура подзолистых почв в самый теплый месяц (июль) летней сезонной климатической стадии за период 19611990 гг. достигает 19,0ºС, равномерно уменьшаясь вниз по профилю до 6,4ºС на глубине 320 см. Современное потепление климата вызвало повышение среднедесятилетней июльской температуры подзолистой почвы от 0,4ºС, на глубине 80 см среднедесятилетняя температура снизилась на 0,3ºС по сравнению со среднемноголетней (климатической нормой) за период 19611990 гг. На глубине 120 см подзолистых почв средняя десятилетняя температура повысилась на 0,3ºС, а на глубинах 160, 240 и 320 см она повысилась на 0,1ºС соответственно. Таким образом, для подзолистых почв, характеризующихся разным грансоставом, уровнем грунтовых вод, высотой над уровнем моря отмечается общая закономерность в повышении среднедесятилетней температуры почвы в связи с общим потеплением климата. Исключением из этой закономерности является понижение средней десятилетней температуры почвы июля месяца летней климатической стадии за период 1991-2000 гг. на глубине 80 см на 0,3ºС, однако в летнюю климатическую стадию (июнь, июль и август) за период 1991-2000 гг. понижения температуры почвы на глубине 80 см не отмечено.

Выводы: современное потепление климата вызвало в подзолистых почвах повышение температуры почвы по всему профилю, уменьшение глубины сезонного промерзания, однако, время характерного проявления летней и зимней сезонной климатических стадий осталось неизменным.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант №09-04-00405-a.

TEMPERATURE MODE OF PODZOLIC SOILS IN PREDURALYE

DUE TO CLIMATIC WARMING

Oleg Khudyakov, Doctor of Biology, Leading Research Fellow

Tatiana Bedrina, Post-graduate Student