Лекции для студентов

Мерзлотное лесоводство — История формирования и современное распространение мерзлоты

МНОГОЛЕТНЯЯ МЕРЗЛОТА И КЛИМАТ

История формирования и современное распространение мерзлоты

По всему северу Российской Федерации — от Кольского полуострова за западе до Анадырской низменности на крайнем северо-востоке — под тонким слоем оттаивающей на несколько месяцев почвы залегают толщи мерзлого грунта и подстилающих его пород.

Отдельные упоминания о наличии вечной мерзлоты в Сибири относятся к XVI-XVII векам, когда первые русские землепроходцы начали осваивать этот огромный и неизведанный край. По свидетельству Л.К. Позднякова, якутский воевода М. Кровков, вероятно впервые в истории изучения мерзлоты, в начале XVII столетия предпринял попытку установить глубину промерзания почвы. Вырыв колодец глубиной 30,5 м и не обнаружив талого грунта, он писал в своем послании в Москву: «А колодезя, великие государи, в Якуцком сделать никоими мерами нельзя, потому что земля летом тает на полтора аршина и больше двух аршин земля никогда не тает, а в исподе на дне бывает земля всегда мерзла» (Поздняков, 1986, с. 8).

Начало научному изучению мерзлоты было положено в 1757 г. М.В. Ломоносовым в его докладе «Слово о рождении металлов и трясении земли». Давая теоретическое обоснование происхождения и распространения мерзлых грунтов на севере Сибири и высоко в горах, он отмечает (цит. по: Поздняков, 1986) «Сие приписано может быть больше зимнему холоду, летний жар преодолевающему, что сии места, одно ради близости холодного климата, другое для высокого положения к студеному слою атмосферы поднявшегося, лишаются краткого небес действия». Таким образом, он объяснял существование мерзлоты процессами зимнего охлаждения и летнего прогревания почвы, т.е. теплообменом земной поверхности с атмосферой в зависимости от широтной зональности и вертикальной поясности. Это объяснение вполне согласуется с современными представлениями о мерзлотных процессах.

К середине XVIII столетия в России были накоплены не только обширные фактические данные о распространении многолетнемерзлых грунтов, но и предприняты теоретические обобщения, объясняющие климатическую обусловленность мерзлотных процессов. Однако, наиболее пристальное внимание к изучению мерзлоты было привлечено лишь во второй половине прошлого столетия в связи с промышленным освоением Сибири, строительством дорог и других инженерных сооружений. В 1895 г. специальной комиссией, созданной при Русском географическом обществе, была опубликована «Инструкция для изучения мерзлоты почвы в Сибири».

Наиболее ранние упоминания о мерзлотных процессах, имеющих непосредственное отношение к лесоведению содержатся в работах В.Н. Сукачева (1912) и Р.И. Аболина (1929). Исследуя особенности роста лиственницы на моховых болотах в бассейне р. Тунгир, В.Н. Сукачев обратил внимание на ее способность образовывать придаточные корни по мере подъема к дневной поверхности верхнего горизонта многолетней мерзлоты. По мнению упомянутых авторов, близким залеганием толщи мерзлых грунтов обусловлено и формирование поверхностного типа корневых систем у лиственницы.

Первая обобщающая сводка, которая отражала накопленные научные знания в области мерзлотоведения, как новой отрасли науки, «Вечная мерзлота почвы в пределах СССР» была издана в 1927г. М.И. Сумгиным. Из этой монографии следует, что интенсивное охлаждение земной поверхности является причиной формирования толщи мерзлых пород, не оттаивающих в течение длительного времени. Автор предложил называть их «вечной мерзлотой». Позднее для обозначения этого географического явления стали употребляться термины «многолетняя мерзлота», «криолитозона», «криогенная область» и другие (Попов, Тушинский, 1973; Уткин, 1976; Некрасов, 1984; и др.).

Итак, возникновение мерзлоты обусловлено климатическими факторами, ведущие из которых будут рассмотрены несколько позже. Принято считать, что начало ее формирования относится к нижнему плейстоцену. В более ранние геологические эпохи периоды потепления сопровождались деградацией мерзлоты , а периоды оледенения приводили к очередному промерзанию грунтов. Подтверждением этому может служить наличие на севере Западной Сибири двух разобщенных слоев мерзлых пород: верхний, мощностью залегания в 30-80 м, подстилается талыми породами с температурой до 0,5^о. На 100-150 метров ниже талого слоя располагается второй, реликтовый мерзлый слой, достигающий глубины залегания до 360- 400 м (Пармузин, 1979). Согласно И.А. Некрасову(1984), формирование современной вечной мерзлоты в Якутии началось примерно 600 тыс. лет назад, а ареал ее распространения неоднократно изменялся в связи с глобальными колебаниями климатических условий.

Общие вопросы мерзлотоведения нашли отражение в целом ряде работ, вышедших в свет в последние десятилетия (Основы геокриологии, 1959; Попов, Тушинский, 1973; Швецов, 1981; Некрасов, 1984; и др.). Являясь самостоятельным разделом наук о Земле, они в основном раскрывают физико-географические аспекты этого глобального явления, а в прикладном контексте имеют преимущественно инженерную и технологическую направленность.

Вопросы мерзлотного лесоведения разработаны еще крайне недостаточно. Первая монографическая сводка, базирующаяся на многолетнем комплексном исследовании лесного покрова Якутии, была опубликована Л.К. Поздняковым в 1986 г. Фактически она не только обобщает накопленные знания в области мерзлотного лесоведения, но и является программой дальнейшего развертывания работ в изучении сложной, многокомпонентной и специфичной системы «лес — многолетняя мерзлота».

В последние годы интерес к исследованию своеобразных лесных экосистем мерзлотной зоны Сибири существенно возрос в связи с необходимостью своевременной оценки возможных глобальных изменений, связанных с прогнозируемым потеплением климата и эмиссией в атмосферу углекислого газа и метана (Fukuda, 1994; Schulze et al, 1995, 1997; Goldammer, Furyaev, 1996; Nasimova, Polikarpov, 1996; Ваганов и др., 1996) .

Согласно ориентировочным подсчетам, общая площадь распространения многолетней мерзлоты занимает почти четвертую часть суши. В Северном полушарии она составляет около 21 млн. км², из них на долю России и бывших республик СССР приходится 11, Аляски — 1,5, Канады — 5,7, Гренландии — 1,6, Китая и Монголии — 1,2 млн. км². В Антарктиде площадь мерзлых грунтов достигает 13,5 млн.км² (Основы геокриологии, 1959). Следовательно, примерно 34,5 млн. км², или 23% общей поверхности суши занимает многолетняя или вечная мерзлота. Естественно, характер ее распространения различен. Мощность мерзлой толщи варьирует от нескольких десятков до 1500 метров. Иногда, даже в области сплошного распространения, мерзлые грунты прерываются, так называемыми, «таликами». Наличие участков талого грунта отмечается обычно под руслами таких крупных рек как Енисей, Лена, Яна, Индигирка и Колыма, а также больших озер, ложа которых часто представляют собой тектонические разломы земной коры, и в местах выхода к дневной поверхности минерализованных рассолов и подмерзлотных грунтовых вод.

По наблюдениям в Якутии, в зоне сплошной многолетней мерзлоты на долю таликов приходится лишь около 5% территории. В области прерывистой мерзлоты участки талых грунтов занимают в среднем уже до 50%, а островного распространения — не менее 95% территории (Некрасов, 1984). В целом, на территории Российской Федерации область сплошного и прерывистого распространения многолетней мерзлоты составляет примерно 7 млн. км² или 41% ее общей территории.

На лесотундру и собственно таежную зону приходится почти 70% площади, занятой многолетней мерзлотой, и лишь около 30% — на арктические пустыни, зональную и горную тундры (Поздняков, 1986). Следовательно, с мерзлотой, как физико-географическим явлением, в основном связана древесная растительность. Поэтому исследование закономерностей формирования и динамики лесного покрова в специфических природно-климатических условиях мерзлотной зоны, как и разработка региональных подходов к организации и ведению лесного хозяйства, является весьма актуальной задачей.

Представление о современном распространении многолетней мерзлоты и ориентировочной мощности мерзлого слоя литосферы дает схематическая карта (рис. 1.1). Из нее следует, что в тундре, лесотундре, северной и на значительной части средней подзоны тайги распространена сплошная многолетняя мерзлота мощностью от 100 до 500 и более метров. Зона прерывистой мерзлоты в основном сопряжена с южной частью средней тайги. Островная мерзлота свойственна подзоне южной тайги и горным районам юга Сибири. Ее мощность здесь варьирует от 0 до 100 м.

В зоне многолетней мерзлоты по мере продвижения с севера на юг изменяется не только толщина слоя мерзлых подстилающих пород, но и их температурный режим. Так, относительная площадь мерзлотной зоны с температурой грунтов от 0 до -1^о С составляет около 20%, от — 1 до -3^о — 15%, от — 3 до — 5^о — 23%, от — 5 до — 10^о — 31% и свыше — 10^о С — 11%. Следовательно, на 65% территории мерзлотной зоны температура на глубине 5-10 м не поднимается выше — 3^о С, а мерзлотный режим рассматривается как устойчивый по отношению к внешним тепловым воздействиям. Некоторое представление о мощности залегания и температурном режиме мерзлых пород дают данные таблицы 1.1.

Обычно толщу многолетней мерзлоты грунтов разделяют на три горизонта: 1 — оттаивающий в течение теплого времени года от 0,1-0,2 м на Крайнем Севере (под моховым покровом) до 3-5 м на юге — этот слой называют деятельным; 2 — подстилающий деятельный слой, который не прогревается до положительных температур, но ее значения повышаются летом и понижаются зимой, что вызывает образование полигональных трещин и формирование своеобразных мерзлотных форм микрорельефа; 3 — нижний мощный слой мерзлых пород с постоянной отрицательной температурой.

Рис.1.1. Схематическая карта распространения многолетней мерзлоты (по: Основы геокриологии..., 1959)

1 — зона островного распространения мерзлоты с мощностью мерзлой толщи 0-100м; 2-5 — зона сплошного и прерывистого распространения мерзлоты с мощностью мерзлой толщи, м: 2 — 50-300; 3 — 100-400; 4 — 200-600; 5 — 400-900 и более; 6 — границы зон; 7 — южная граница зоны многолетней мерзлоты

Таблица 1.1

Глубина залегания многолетней мерзлоты и ее температурный режим в разных районах мерзлотной зоны (по: Пармузин, 1979)

Район	Мощность мерзлых	Минимальная
исследований	пород, м	температура, град. С
г. Воркута	80 — 130	- 1,5
г. Салехард	250	-
Плато Хараелах	500	- 9,0
Якутия, бассейн р. Оленек	1500	- 10,0
Хребты Верхоянский и Черского	600	- 9,0
Анадырская низменность	150-230	- 5,7

Для целей лесоведения наиболее важное значение имеет температурный режим сезонно оттаивающего или деятельного горизонта почвы, мощность которого зависит не только от географического положения, особенностей рельефа, механического состава и гидрологического режима почвы, но и от характера растительности. Поскольку особенности температурного режима мерзлотных почв будут рассматриваться несколько позже, здесь лишь отметим, что в деятельном горизонте последовательно протекают два противоположно направленных процесса: зимнее промерзание, вплоть до смыкания с верхним горизонтом многолетней мерзлоты, и летнее оттаивание.

Например, территория Якутии по глубине летнего оттаивания верхнего горизонта почвы разделена на пять зон с учетом механического состава грунтов и варьированием средних значений от 0,5 м на Крайнем Севере до 2,2 — 5,0 м — на юге Республики (Некрасов, 1984). Для сопредельных территорий, где также наблюдается сплошное распространение многолетней мерзлоты, такое районирование не проводилось. Однако в общих чертах полученные этим автором сведения позволяют для сходных по природно-климатическим условиям регионов привести некоторые усредненные показатели. Территория Таймыра и северная часть Эвенкии, по нашему мнению, могут быть отнесены ко второй и третьей зонам с глубиной сезонного оттаивания суглинистых почв от 0,7-1,0 до 1,0-1,3 м соответственно. Центральные и южные районы Эвенкии правомерно отнести к четвертой зоне (1,2-1,6 м). Западная часть Магаданской области по условиям летнего оттаивания почвы, по мнению Л.К. Позднякова (1986), близка к третьей зоне Якутии (1,0-1,3 м), а ее горные районы — ко второй (0.7-1,0 м). Территория Чукотского автономного округа также в основном будет также отнесена ко второй зоне.

Следует иметь в виду, что в конкретных условиях того или иного региона глубина летнего оттаивания верхнего горизонта почвы может существенно отклоняться от приведенных средних значений, так как что по литологическим свойствам и водопроницаемости торфянистые, глинистые и суглинистые почвы отличаются от супесчаных, песчаных, и щебенистых почвенных разностей. Влияние растительности, а также природных и антропогенных факторов на динамику сезонно талого слоя мерзлотных почв будет проиллюстрировано в разделе, посвященном температурному режиму.

В специальной литературе авторы различают «мерзлые» и «морозные» породы. Так, в «Общем мерзлотоведении» (1978) мерзлыми породами, грунтами, почвами называются породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние. Породы, грунты и почвы, также имеющие отрицательную температуру, но не содержащие воду называют морозными (Швецов, 1981).

Следовательно, лесная растительность связана с мерзлыми почвами, содержащими воду в виде льда. Лед может встречаться в виде кристаллов, равномерно распределенных в их твердой фазе, различных по величине и форме жил, клиньев, линз и т.п., залегающих на разной глубине в почвенной толще. В условиях высоких широт ледяные включения в двух первых слоях многолетней мерзлоты, т.е. в деятельном и подстилающем его горизонтах, порой достигают 70-80% общего объема грунтов.

Подземные льды могут иметь разное происхождение. По длительности их существования различают кратковременные, сезонные и многолетние льды. Наиболее глубоко залегающие ледяные включения обычно образуются одновременно с теми отложениями, в которых они заключены. Основная же часть подземных льдов является результатом внедрения воды в образующиеся трещины горных пород.

Естественно, что температурный режим этих ледяных включений, порой находящихся не далеко от дневной поверхности, подвержен значительным колебаниям, как в зависимости от динамики погодных условий того или иного года, так и воздействия каких-либо природных или антропогенных факторов. Любое нарушение теплообмена и сложившегося относительного равновесия природных процессов на Крайнем Севере, влечет за собой таяние ледяных включений, резкое изменение физических свойств почвы, а, следовательно, и динамику многолетней мерзлоты грунтов. Глобальные климатические изменения могут привести не только к трансформации современных границ мерзлотной зоны, но и к значительному изменению облика сформировавшихся ландшафтов, а, следовательно, формационного состава и структуры лесного растительного покрова.