Температурный режим и теплообеспеченность почв, в том числе и болотных – один из определяющих факторов структуры и функционирования фитоценозов. В этом отношении наиболее важны тепловые свойства верхнего, деятельного слоя. Если традиционно основное внимание изучению физических режимов почвенного покрова в основном было сконцентрировано в южных, сельскохозяйственных районах, то по мере освоения Севера Западной Сибири изучение температурных режимов болотных почв становится актуальными в связи с возникающими проблемами разработки приемов рекультивации [5], в том числе и методов микробиологической рекультивации [8]. Между тем, сведения о температурном режиме болот в целом, а в особенности северных территорий, представлены фрагментарными исследованиями. В частности, температурный режим выпуклых олиготрофных болот Западной Сибири был изучен в летний период в наиболее типичных пунктах с 1965 по 1973 г., что позволило получить общие характеристики температурного режима деятельного слоя торфяной залежи, составляющего на буграх олиготрофных болот 22 см, а в мочажинах – 16 см верхнего слоя торфяной залежи [1]. Вблизи северного предела распространения талых олиготрофных болот также проводились летние исследования температурного режима торфяной залежи, но объектом изучения были мерзлые плоскобугристые болота [1, 2].
Целью нашей работы стала общая характеристика температурного режима деятельного слоя выпуклых олиготрофных болот северной тайги у северного предела их распространения.
Материалы и методы исследования
Наблюдения температурного режима проводились на болотах северной тайги в центральной части Сибирских Увалов, в районе г. Ноябрьска. Для верховых болот плоских локальных водоразделов территории характерно чередование двух преобладающих типов – мерзлых плоскобугристых болот, доминирующих севернее в зонах лесотундры и южных тундр [6], и талых плоско-выпуклых олиготрофных сфагновых болот Сургутской области подзоны озерково-грядово-мочажинных болот [7], свойственных подзонам средней и южной тайги. Последние, в условиях северной тайги не имеют выраженного выпуклого профиля.
Оба типа болот имеют хорошо выраженный бугорково-мочажинный микрорельеф, и связанную с ним комплексность растительного покрова. Бугры талых верховых болот, как правило, имеют нечеткие границы и пологие борта, заняты преимущественно кустарничково-сфагновыми сообществами с доминированием Сфагнума бурого. На буграх встречаются низкорослые сосны, реже – кедр и береза. Талые болота, как правило, облесены в большей степени, на мерзлых плоскобугристых болотах обычно встречаются только единичные деревья. В северной тайге торфяная залежь болот на буграх около 1–1,5 м.
Для измерения температуры использовались программируемые термодатчики iButton (Dallas Semiconductor), установленные на глубинах 0 (под очесом сфагновых мхов), 10 и 20 см, и регистрировавшие температуру с точностью 0,5 °С каждые 4 часа – в сроки 1, 5, 9, 13, 17 и 21 час. На бугре талого верхового болота наблюдения проводились с 3 октября 2007 г. по 4 сентября 2012 г. Еще один датчик в этот же период измерял температуру воздуха на высоте 200 см.
Температурный режим почвы определяется особенностями климата и погодных условий, общими характеристиками климата, тепловыми ресурсами, особенностями циклических годового и суточного хода температуры приземного воздуха, поступлением солнечной радиации и атмосферной влаги. Для характеристики особенностей местного климата и погодных условий были привлечены данные ближайшей метеостанции г. Ноябрьска.
Результаты исследования и их обсуждение
Особенности местного климата
Наблюдения температуры воздуха на высоте 200 см и данные метеостанции г. Ноябрьск за период с 2007 по 2012 г. проявляют очень тесную связь, корреляция среднесуточных значений составила 0,997, а наблюдений совпадающих сроков, в 9 и 21 час – 0,985 и 0,992, соответственно, что позволяет корректно использовать другие погодные наблюдения метеостанции.
По районированию в строительной климатологии [9] территория относится к подрайону 1Д с продолжительностью холодного периода (температурой воздуха ниже 0 °С) 190 дней в году и более. По метеоданным станции Ноябрьск за период наблюдений район работ находится вблизи границы этой зоны: холодный период в 2007 и, особенно, в 2011 г. был короче – 186 и 172 дня соответственно, в остальные годы длиннее, особенно в 2009 и 2012 гг. – 207 и 202 дня соответственно.
По данным за период наблюдений среднегодовая температура воздуха составила –2,97 ± 0,14 °С, показывая значительные разногодичные отклонения, от –1,5 ± 0,27 °С в 2011 г., до –5,63 ± 0,46 °С в 2009 г.. При этом зафиксированные максимальные и минимальные температуры воздуха варьировали незначительно. +26,4...+33,6 °С и –38,8...–46,7 °С, соответственно. В целом климат отличается сравнительно низкой теплообеспеченность, которая чрезвычайно сильно варьирует в разные годы. За период 2007–2012 гг. сумма среднесуточных температур выше 5 °С в среднем составила 1568 °С, и варьировала от 1170 °С в 2010 г., до 1924 °С – в 2012 г., а сумма температур выше 10 °С составила в среднем 1217 °С, и варьировала – от 809 °С в 2010 г., до 1630 °С – в 2012 г.. Продолжительность периода с биологически активными температурами варьирует в меньшей степени для температур выше 5 °С, при средней продолжительности 126 дней – от 106 до 150 дней, и в большей – для температур выше 10 °С – при средней продолжительности 79 дней, от 59 до 96 дней.
За период наблюдений сильно варьировала сумма годовых осадков, от 421 мм в 2009 г., до 1102 мм в 2010 г., составляя в среднем за период наблюдений 741 мм в год. Такое же варьирование характерно и для максимальной мощности снежного покрова на метеостанции, от 35 см в 2011 г., до 103 см в 2007 г., при среднемноголетней – 65 см. Первый снег обычно выпадает в конце сентября – начале октября, а устойчивый снежный покров обычно устанавливается в последней декаде октября. Даты схода снега в разные годы варьируют намного шире, с начала второй декады апреля по первую декаду мая. Снежный период, таким образом, в разные годы за период наблюдений продолжался от 163 до 205 дней.
Наибольшее количество осадков приходится на теплый период. Повышение температуры воздуха начинается в феврале, и усиливается во второй – третьей декаде апреля, достигая максимальных значений в конце мая, которые остаются сравнительно стабильными до середины августа. В это же время увеличивается и количество осадков, которое достигает максимума в августе. Таким образом, из-за особенностей сезонной динамики температуры и осадков первая половина теплого сезона с конца мая по июль обычно теплее и суше второй, прохладной и влажной – с августа по первую половину октября. При быстром снижении среднесуточных температур с сентября по декабрь и более плавном уменьшении количества осадков, большая часть снежного покрова накапливается в первой половине зимнего периода – с первой декады октября до начала декабря. Количество осадков несколько увеличивается только в концу холодного периода – в марте – апреле.
Значительна разногодичная изменчивость сезонной динамики увлажнения и хода температуры (рис. 1). Отклонения среднемесячной температуры более характерны для зимнего периода. Зимы 2007–2008 и 2011–2012 гг. были существенно теплее климатической нормы, а зима 2009–2010 гг. – значительно холоднее Отклонения летних среднемесячных температур от нормы наблюдались в 2010 г. (ниже нормы) и 2012 г. (выше нормы). Летние периоды 2007–2009 гг. были сравнительно теплыми и сухими, особенно весна и лето 2009 г. Летние периоды 2010–2012 гг. были сравнительно влажными, притом, что лето 2010 г. было холодным, а 2012 г. – теплым.
Рис. 1. Среднемесячные климатические показатели за период наблюдений
Одна из особенностей местного климата – большая облачность в течение всего года. За период наблюдений в среднем 183 дней в году, т.е. больше половины, оказалось с облачностью более 90 %, а относительно ясная погода со средней за сутки облачностью не больше 30 % – только 31 день в году. Ясная погода с облачностью до 20 % наиболее часто наблюдается с февраля до апреля, 10–19 % наблюдений. С февраля по сентябрь реже всего, около половины наблюдений, бывает сплошная, или почти сплошная облачность, более 80 %. В июне и июле сплошная облачность, более 80 %, наблюдается только в трети случаев, но и ясная погода в это время бывает крайне редко, только в 7–5 % наблюдений. Какие либо изменения облачности в зависимости от времени суток не отмечены. Таким образом, прямая солнечная радиация на температурный режим почвенного покрова в бесснежный период в местных условиях не оказывает существенного влияния даже при отсутствии затенения древесным пологом.
Суточные колебания температуры на протяжении года в среднем составляют около 7 °С. Наиболее существенные суточные колебания, в среднем около 9 °С, и до 18–19 °С, наблюдаются в июле и июне (рис. 2). Существенны суточные колебания и в холодный период, особенно в феврале и марте, в среднем около 8 °С, а в отдельные сутки – до 28 °С. Наиболее плавным суточным ходом температуры воздуха отличается осень, особенно октябрь, когда суточные колебания в среднем составляют 3,8 °С, и не превышают 15 °С. В целом годовая динамика суточных колебаний температур воздуха согласуется с динамикой облачности и количеством осадков – в менее пасмурной первой половине года, за исключением мая, суточные колебания температуры выше, чем во второй, особенно в октябре.
Рис. 2. Среднемесячные суточные колебания температуры воздуха
Особенности местного климата и погодных условий определяют и особенности температурного режима местных почв, в том числе и болотных. К таким особенностям можно отнести в первую очередь низкую теплообеспеченность в бесснежный период, широко варьирующую в разные годы, сравнительно сухую и теплую первую половину летнего периода и влажную и прохладную – вторую. Преобладание пасмурной погоды почти в течение всего года, в том числе и в бесснежный период определяет зависимость температурного режима почв почти исключительно от температуры воздуха, и в меньшей степени – от прямой солнечной радиации, особенно во второй половине бесснежного периода.
Теплообеспеченность почвы и годовой ход температуры
У поверхности почвы суммы активных температур близки к сумме температур воздуха. В 2008, 2010 и 2011 гг., с полными рядами наблюдений температуры почвы, суммы температур > 5 °С составили 1419, 1196 и 1575 °С, соответственно, а для температур > 10 °С – 1095, 810 и 1039 °С. С глубиной теплообеспеченность убывает почти линейно, составив в нижней части деятельного слоя (20 см) для температур > 5 °С за эти же годы 955, 767 и 1014 °С, для температур > 10°С – 696, 208 и 108 °С, соответственно. Градиент теплообеспеченности по температурам > 5 °С (около 20 °С на 1 см) сходен в разные годы, нежели для температур > 10 °С (от 7,6 до 46,5 °С в разные годы и для разных слоев), т.е. прогрев почвы выше 10 °С на болоте неустойчив.
Годовой ход температуры болотной почвы в целом следует за ходом температуры воздуха с эффектом запаздывания с увеличением глубины. В зимний, снежный период температура почвы хотя и зависит от температуры воздуха, но даже в холодные зимы 2009–2010 и 2010–2011 гг. среднемесячная температура у поверхности была не ниже –5,1 °С, при среднемесячной температуре воздуха ниже –30 и –25 °С, соответственно. Зафиксированная минимальная среднесуточная температура поверхности почвы –9,9 °С, а минимальная зафиксированная –10,5 °С. Более глубокие слои почвы хотя и промерзали в зимний период, но за период наблюдений их среднемесячная температура на глубине 10 см не опускалась ниже –2,0 °С, а на глубине 20 см – 1,6 °С. Зафиксированные среднесуточные минимальные температуры на этих глубинах –3,5 и –2,0 °С, соответственно. В среднем за период наблюдений среднемесячная температура у поверхности почвы была не ниже –3,4 °С, на глубине 10 см – 1,4 °С, а на глубине 20 см – 0,8 °С. В снежный период эффект запаздывания температур с увеличением глубины проявляется нечетко, изменение температуры с увеличением глубины незначительно и, начиная с февраля, происходит почти синхронно. Если в начале зимы промерзание почвы у поверхности по среднемесячным значениям наблюдается в ноябре, то на глубине 10 см – обычно в декабре, а на глубине 20 см – только в январе. Оттаивание почвы за весь период наблюдений на всех глубинах происходило синхронно, в мае, реже – в апреле.
Вертикальный градиент температур воздуха и почвы меняется в апреле, когда температура воздуха становится выше температуры почвы, и остается таким до июня, реже – июля. В это период среднемесячная температура поверхности почвы ниже температуры воздуха, хотя и незначительно, на 0,2–1,7 °С, но в отдельные дни доходя до 4,7–10 °С.
Исключение составила весна и первая половина лета 2009 г., когда среднемесячная температура поверхности почвы была значительно, на 6,3 °С в мае, и на 4,6 °С в июне, выше температуры воздуха. Этот период, с мая по июль 2009 г. отличался аномально малым количеством осадков (рис. 3), 106 мм за три месяца, против 203–315 мм в другие годы, вследствие чего поверхность почвы (сфагновый очес) высох, и прямая солнечная радиация привела к значительному нагреву этого слоя. Следует отметить, что средние показатели облачности в 2009 году не отличались существенно от облачности того же периода других лет наблюдений. Кроме того, нам не удалось обнаружить какой либо надежной зависимости градиента температур поверхность почвы – воздух и облачности в теплый период года, в том числе и в период с апреля по июнь, когда можно было бы ожидать существенный нагрев поверхности почвы в ясную погоду. Иначе говоря, такой, значительный прогрев болотной почвы в местных условиях возможен только в экстремальных условиях, при высыхании верхнего слоя почвы и его изоляции от охлаждающего влияния нижних горизонтов, как это произошло в 2009 г. Прямой нагрев поверхности почвы при нормальном состоянии поверхности болота настолько незначителен, что статистически не обнаруживается.
Рис. 3. Среднемесячная температура воздуха и почвы
Максимальный прогрев поверхности почвы наблюдался вместе с максимальными среднемесячными температурами воздуха – в июле, реже – в июне (2011 г.), когда среднемесячные температуры поверхности почвы достигают 12–15 °С. В 2009 г., из-за аномально сухой весны и начала лета, среднемесячная температура поверхности почвы в июле достигла 20,3 °С, максимальные среднесуточные и отмеченные температуры поверхности составили 30 и 46 °С, соответственно. За исключением 2009 г. максимальная среднесуточная температура поверхности 20,9 °С, а максимальная отмеченная – 28 °С. Ниже, на глубине 10 и 20 см максимальный прогрев наблюдался существенно позже, примерно с задержкой на месяц, в августе, реже – июле (2008 г.). Максимальные среднесуточные температуры этих слоев – от 11,1 до 13,3 °С на глубине 10 см, и 9,5 – 11,9 °С на глубине 20 см. Отмеченные максимальные среднесуточные температуры на этих глубинах различались несильно, максимальная среднесуточная 18,3 и 17,8 °С, максимальные отмеченные – 19,0 и 18,5 °С, соответственно. Сходные максимальные температуры отмечены и для олиготрофных грядово-мочажинных болот в междуречье Ваха и Ватинского Егана [1]. В 2009 г. температурные показатели на этих глубинах не проявляли существенного отклонения от других лет, т.е. аномальный прогрев коснулся только самого верхнего слоя почвы.
Начиная с августа, реже – с июля (2011 г.) среднемесячная температура почвы становится выше температуры воздуха. В зависимости от особенностей осени разница среднемесячных температур поверхности почвы и воздуха варьирует в августе и сентябре от 0,5 до 1,6 °С, а в октябре – от 0,4 до 2,7 °С. Среднемесячные температуры поверхности почвы опускаются ниже 0 °С в ноябре, вместе с формированием устойчивого снежного покрова. Ниже, на глубине 10 см, среднемесячные температуры опускаются ниже 0 °С в декабре, реже – октябре (2009 г.), а на глубине 20 см – чаще в январе (2010 г. – в декабре, 2009 г. – в феврале).
Влияние осадков на температурный режим болотной почвы в теплый период года, по крайней мере, в явном виде, нами не обнаружено. Исключение составляет, как уже отмечалось, экстремальна ситуация весны и лета 2009 г., когда из-за аномально малого количества осадков обсох сфагновый очес верхового болота.
Суточные колебания температуры
Заметные регулярные суточные колебания температуры почвы появляются в начале мая, после схода снежного покрова, и сразу же приобретают большой размах (рис. 4). Если максимальные зафиксированные суточные колебания температуры поверхности почвы в апреле (до схода снежного покрова) составляют 2–4 °С, то в мае максимальный диапазон суточных колебаний составил в разные годы от 12,5 до 18,5 °С. В следующие, летние месяцы максимальные суточные колебания температуры поверхности почвы остаются примерно такими же, от 10 до 19 °С. В 2009 г., из-за погодных особенностей, амплитуда суточных колебаний в мае – июле была чрезвычайно большой, и достигала в отдельные сутки 36, и даже 44,4 °С, когда сильный прогрев обсохшей поверхности болота днем, сопровождался заморозками ночью. Осредненный за месяц диапазон суточных колебаний в мае колебался в разные годы от 3,8 до 9,4 °С и несколько увеличивался в июне – 6,7–10,2 °С, а затем плавно снижался до сентября, и резко уменьшался в октябре, до установления устойчивого снежного покрова (таблица).
Рис. 4. Суточный ход температуры воздуха и почвы на разных глубинах, осредненный за месяц, по данным 2007 г.
Осредненный за месяц диапазон суточных колебаний температуры почвы за период наблюдений (кроме 2009 г.)
|
Месяц |
Глубина 0 см |
Глубина 10 см |
Глубина 20 см |
|
1 |
0,50 ± 0,05 |
0,16 ± 0,03 |
0,10 ± 0,02 |
|
2 |
0,52 ± 0,05 |
0,21 ± 0,03 |
0,14 ± 0,02 |
|
3 |
0,32 ± 0,03 |
0,13 ± 0,02 |
0,09 ± 0,02 |
|
4 |
1,68 ± 0,31 |
0,09 ± 0,02 |
0,05 ± 0,01 |
|
5 |
5,70 ± 0,49 |
0,80 ± 0,12 |
0,19 ± 0,05 |
|
6 |
8,44 ± 0,38 |
2,43 ± 0,14 |
1,05 ± 0,06 |
|
7 |
6,94 ± 0,38 |
2,11 ± 0,11 |
0,90 ± 0,05 |
|
8 |
6,06 ± 0,34 |
1,77 ± 0,11 |
0,78 ± 0,05 |
|
9 |
6,32 ± 0,53 |
1,76 ± 0,13 |
0,49 ± 0,07 |
|
10 |
1,98 ± 0,24 |
0,43 ± 0,05 |
0,29 ± 0,03 |
|
11 |
0,70 ± 0,13 |
0,07 ± 0,02 |
0,05 ± 0,01 |
|
12 |
0,65 ± 0,07 |
0,16 ± 0,03 |
0,08 ± 0,02 |
С глубиной суточные колебания температуры быстро уменьшаются. На глубине 10 см максимальные отмеченные суточные колебания температуры в теплый период года составили 7 °С, а на глубине 20 см – 4 °С.
В теплый период года наибольшие температуры воздуха в их суточном ходе по нашим срокам наблюдались в 13, а по срокам метеостанции – в 15 часов, минимальные температуры наблюдались в 5 и 3 часа, соответственно. По осредненным за месяц данным наибольший прогрев почвы у поверхности наблюдался около 17 часов, а на глубине 10 см – около 21 часа (рис. 4). Минимальные температуры поверхности почвы наблюдаются примерно в те же часы, что и минимальные температуры воздуха, около 5 часов. Наибольший градиент температуры почва – воздух наблюдается в мае, в июне и июле этот градиент уменьшается при общем повышении температуры воздуха и почвы. Все это время температура поверхности почвы в течение суток в среднем оказывается ниже, или в ночное время – близкой к температуре воздуха. В августе в ночное время почва в ночные часы теплее воздуха, а в дневные – холоднее, т.е. в это время температура почвы и воздуха приходят к некоторому равновесию. В сентябре начинается остывание почвы, она в среднем существенно теплее воздуха независимо от времени суток. В это время происходит существенное снижение температуры почвы. В октябре разница между температурами воздуха и почвы становится незначительной, как и суточные колебания, и в дальнейшем температура почвы в течение зимнего периода меняются незначительно, не испытывая суточных колебаний вплоть до начала следующего теплого периода года.
В целом, годовой ход температуры верхнего слоя торфяной залежи во многом сходен с ходом температуры торфяной залежи болот южной тайги [3, 4]. При более продолжительном холодном и снежном периоде верхний слой торфяной залежи в условиях северной тайги испытывает примерно такие же годовые колебания температуры, что и в условиях южной тайги. Примечательно, что при существенной разнице в длительности холодного периода и зимних температур воздуха, верхний слой торфяной залежи олиготрофных болот промерзает на небольшую глубину, при этом, глубже 20 см среднемесячные температуры не опускаются ниже нескольких градусов и остаются большей частью вблизи 0 °С. Суточная динамика температуры верхнего слоя чрезвычайно сходна для олиготрофных торфяников северной и южной тайги.
Заключение
Для местного климата характерны значительные разногодичные отклонения теплообеспеченности и количества осадков, в том числе – летних, при сравнительно стабильной продолжительности теплого и холодного периодов года. Особенность местных погодных условий – небольшое количество ясных дней, с небольшой облачностью, которые больше характерны для начала весны, что уменьшает общее влияние прямой солнечной радиации на температурный режим почвы. Наибольшие суточные колебания температуры воздуха наблюдаются летом, особенно в июне и июле.
В холодный период болотная почва промерзает незначительно, по среднемесячным значениям, от –5 °С у поверхности, до –1,6 °С, на глубине 20 см, при минимальной зафиксированной у поверхности температурой –10,5 °С, деятельный слой остается мерзлым около 6–7 месяцев у поверхности, и около 5 месяцев на глубине 20 см. Прогрев поверхности почвы обычно начинается в мае, сразу после схода снега, и продолжается до июля, когда среднемесячная температура достигает 12–15 °С, а глубже – до августа, до 9,5–11,9 °С, на глубине 20 см. С августа начинается охлаждение поверхности почвы и продолжается до установления устойчивого снежного покрова в ноябре. В течение зимы температура почвы меняется незначительно.
Суточные колебания температуры деятельного слоя характерны только для бесснежного периода. Наибольшие суточные колебания от 12,5 до 18,5 °С наблюдаются в мае, июне и июле, а по осредненным за месяц значениям в мае и июне, в период наиболее интенсивного прогрева почвы. Начиная с августа суточные колебания температуры почвы уменьшаются и к октябрю составляют по осредненным данным около 2 °С.
Деятельный слой олиготрофных болот северной тайги при меньшей теплообеспеченности и большей продолжительности холодного периода, обладает сходным температурным режимом с олиготрофными болотами южной тайги, что видимо, определяется свойствами их торфяной залежи.
Библиографическая ссылка
Махатков И.Д., Ермолов Ю.В. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ ВЕРХОВОГО БОЛОТА СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 11-3. – С. 400-407;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7749 (дата обращения: 23.04.2024).