Лекции для студентов

Мерзлотное лесоводство — Сезонное оттаивание и тепловой режим почвы

Сезонное оттаивание и тепловой режим почвы

В комплексе лесорастительных условий мерзлотной зоны Сибири ведущую роль, по закону минимума, играет температурный режим почвы. Применительно к этому региону под термином

«х о л о д н ы е п о ч в ы» подразумеваются мерзлотные почвы, в которых преобладает процесс охлаждения, а, следовательно, всегда отрицательная среднегодовая и низкая положительная температура ее деятельного слоя в течение вегетационного периода.

По предложенной В.Н. Димо (1972) классификации, на основе фактора теплообеспеченности, холодные почвы подразделяются на три подтипа: очень холодные, холодные и умеренно-холодные. При этом температура почвы на глубине 20 см является в определенной мере усредненным показателем обеспеченности теплом деятельного горизонта. Очень холодные почвы характеризуются интервалом среднегодовых температур на глубине 20 см от — 8,0 до 0^о С, средними температурами июля в пределах + 4,0-12^о С и суммой активных температур (> 10^о С) до 500^о. Холодные почвы имеют интервал среднегодовых температур от 0 до + 8,0^о С, средние июльские температуры — + 8,0 — + 20,0^о и сумму активных температур — 500-1500^о. Для умеренно холодных почв значения среднегодовых температур составляю + 8,0 — + 12,0^о С, самого теплого месяца — +16,0 — + 24,0^о , а сумма активных температур варьирует от 1500 до 2500^о .

Специфичность оттаивания деятельного слоя холодных почв заключается в том, что вглубь оно ограничивается мерзлым горизонтом льдистых подстилающих пород, а зимнее промерзание, в отличии от не мерзлотных областей, идет как сверху, от поверхности почвы, так и снизу — от мерзлоты, уровень которой постепенно повышается, вплоть до смыкания со слоями, промерзающими сверху (Поздняков, 1986). Впрочем, высказывается и противоположное суждение, согласно которому «температурные волны» в мерзлотных почвах идут только сверху (Софронов, Волокитина, 1996) и «... вечная мерзлота не служит температурным фактором для почвы, а наоборот, является функцией ее температурного режима» (с. 46). Не отвергая безоговорочно этой точки зрения, тем не менее, нельзя не учитывать, что зимние волны холода, сменяющие летние волны тепла, по М.А. Софронову, вероятнее всего, должны способствовать не только понижению температуры верхнего горизонта мерзлоты, подстилающего деятельный слой, но и подъему мерзлой толщи ближе к дневной поверхности за счет замерзания имеющегося в почве запаса влаги.

Процесс оттаивания почвы в течение лета схематично может быть представлен как равнодействующая трех основных факторов: ресурсов тепла, которые определяются климатическими условиями вегетационного периода, растительности и почвы, а прежде всего, ее физическими свойствами (механический состав, сложение, порозность, влажность, и др.).

Определенное влияние, естественно, оказывают также рельеф местности, экспозиция и крутизна склонов. Это сказывается на перераспределении ресурсов тепла и влаги по площади и находит отражение как в характере высотного распределения растительности в горах Крайнего Севера, так и в хорошо выраженной мозаичности структуры нижних ярусов растительного покрова.

Рассматривая лесные биогеоценозы криогенной области как специфичные системы, А.И. Уткин (1976) подчеркивает их исключительно важное значение в качестве стабилизирующего фактора в процессе теплообмена между атмосферой и мерзлой литосферой. Он, в частности, отмечает, что «... всякое нарушение стабильности теплообмена, выражающееся в увеличении или уменьшении мощности сезонно-талого слоя, может вызвать сукцессии растительности вследствие изменения сложившихся режимов тепла, влаги и питания растений» (с.18-19).

При наличии водонепроницаемого экрана многолетней мерзлоты на выровненных поверхностях происходит накопление влаги в надмерзлотных слоях, что приводит к переувлажнению почвы, развитию мерзлотного пучения грунта, образованию трещин, тиксотропности и формированию в итоге своеобразного микро- и нанорельефа, мозаичности почв, а как следствие, проявлению, по существу «разнобонитетности» почвенного покрова даже в относительно однородных лесорастительных условиях на ограниченном пространстве. Хорошо выраженный микрорельеф, являющийся результатом проявления мерзлотных процессов, в свою очередь, предопределяет пространственную дифференциацию ресурсов тепла, влаги и минерального питания.

Согласно наблюдениям С. Г. Прокушкина в Центральной Эвенкии (Abaimov et al., 1997b), на разных элементах хорошо выраженного мерзлотного микрорельефа лиственничника бруснично-голубичного зеленомошно — лишайникового колебания температуры верхних горизонтов почвы в середине июля после устойчивого низового пожара на ее поверхности достигают + 18, а на глубине 10 см — + 3-5^о С

Температурный режим верхних горизонтов лесных мерзлотных почв зависит также от сомкнутости и ажурности полога древостоя, степени развития подлеска, видового состава и структуры травяно-кустарничкового яруса, лишайникового и, особенно, мохового покрова, мощности подстилки, то есть, того изолирующего слоя, который регулирует проникновение тепла непосредственно в почву и оказывает заметное влияние на уровень залегания многолетней мерзлоты и характер ее сезонной динамики.

Сведения о температурном режиме холодных мерзлотных почв пока весьма ограничены. Имеющиеся литературные данные и наши наблюдения позволяют, тем не менее, составить некоторое общее представление о своеобразии температурного режима в лесных экосистемах Крайнего Севера Сибири. Общая особенность его в высоких широтах заключается в низком абсолютном уровне прогревания корнеобитаемого слоя, краткосрочности этого периода (не более четырех месяцев) и значительном температурном градиенте (Горные..., 1986).

Так например, в лиственничных редколесьях северо-западной оконечности плато Путорана глубина оттаивания почвы в середине вегетационного периода варьирует по элементам рельефа от 15 до 60 см, а средняя месячная температура почвы в июле на глубине 20 см в разных сообществах не превышает +5,0 ^о С. В подгольцовом поясе она достигает в конце июля почти +10 ^о, а на вершинах столовых гор, занятых тундровой растительностью, возрастает до +12 ^о С (Горные..., 1986).

По нашим наблюдениям, в центральной части плато Путорана и в северной оконечности примыкающего к нему плато Сыверма холодные мерзлотные почвы оттаивают в июле-первой половине августа в разных типах лесных сообществ и на различных элементах рельефа на 15-75 см, а температура на глубине 20 см варьирует под пологом редколесий и относительно сомкнутых лесов от +1,5 в лиственничниках кустарничково — сфагновых до + 6,0 ^о С — в шикшево-лишайниковых.

В условиях Нижнеленской низменности протаивание почвы в разгар вегетационного периода обычно составляет под пологом редколесий 30-40 и лишь иногда достигает 70 см, а температура в корнеобитаемом слое не превышает +5,0 ^о С (Степанов, 1988).

В Центральной Якутии, где, в отличии от предыдущих регионов, преобладают, согласно упомянутой классификации В.Н. Димо, лишь холодные и умеренно-холодные почвы, под наиболее распространенными типами лиственничных лесов почва в среднем оттаивает на 1,3 — 1,8 м, а температура на глубине 20 см составляет +4,0 — 8,0^o C (Уткин, 1958; Поздняков, 1963, 1986; Тарабукина, Саввинов, 1990).

По итогам сезонных наблюдений на Якутском стационаре Института леса СО РАН за температурным режимом почвы в лиственничнике лимнасово-брусничном, на сплошной вырубке пятилетней давности этого же типа леса и в сосняке толокнянковом на глубине 50, 100 и 150 см, установлено, что продолжительность периода с температурой почвы +5^о и более на глубине 50 см в лиственничнике составляет немногим более полутора месяцев, а на глубине 100 см — всего лишь месяц (Поздняков, 1986). Причем такого уровня прогревания почва достигла только во второй декаде августа. В этом типе леса роль экрана, препятствующего проникновению в почву поступающего из атмосферы тепла, выступает войлокообразная подстилка и хорошо развитый травяно-кустарничковый ярус с преобладанием брусники.

В сосняке толокнянковом, произрастающем на песчаных почвах, температура +5^о С и выше на глубине 50 см отмечалась от начала июня и до конца сентября. На сплошной вырубке лиственничника лимнасово-брусничного такой температурный режим на аналогичной глубине сохранялся примерно в течение трех месяцев. Следовательно, характер растительности и физические свойства почвы оказывают существенное влияние на температурный режим ее деятельного горизонта в течение вегетационного периода.

Интересные теплобалансовые наблюдения в Центральной Якутии (на Лено-Амгинском междуречье ) были выполнены М.К. Гавриловой (1969). Она проводила исследования параллельно под пологом лиственничника бруснично-мохового с сомкнутостью крон 0,7 и на злаково-разнотравном лугу до глубины 10 м. Следует отметить, что это типичные условия сплошного распространения многолетней мерзлоты, толща которой здесь достигает 500 м. Было выявлено, что под пологом леса температура почвогрунтов примерно вдвое ниже, чем на открытом пространстве злаково-разнотравного луга.

Приведенные данные иллюстрируют общие закономерности изменения температуры верхних горизонтов литосферы вплоть до линзы ископаемого льда, залегающего, согласно наблюдениям автора, ниже 6 м. Как видно, до глубины 1 м ход температуры на обоих объектах примерно одинаков. Вплоть до конца июля, и под пологом лиственничного древостоя и на лугу, происходит стабильное повышение температуры почвы. Однако, уже в конце сентября в корнеобитаемом слое зафиксированы минимальные температуры.

Начиная с глубины 2 м и ниже, в обоих вариантах опыта отмечаются стабильные отрицательные температуры. Но здесь с середины вегетационного периода и вплоть до его завершения прослеживается постепенное повышение температуры грунтов. Следовательно, осеннее охлаждение воздуха отражается на температурном режиме почвы лишь до глубины между одним и двумя метрами. Дальше же продолжается поток тепла, который, вероятнее всего, затухает лишь поздней осенью, то есть при наступлении стабильных отрицательных температур воздуха.

За Верхоянским хребтом, в бассейне р. Яна, сезонное оттаивание почвы в лиственничниках брусничных составляет 0,6-0,8, в лишайниковых — 0,9-1,0 м, а в насаждениях с хорошо развитым моховым покровом — лишь 30-40 см. Температура корнеобитаемого слоя в июле варьирует по разным типам леса от +0,4 до +6,0^о С (Поздняков, 1986).

При сравнительном изучении температурного режима в насаждениях и на гарях разных лет в Центральной Эвенкии установлено (Abaimov et al., 1997b), что под пологом древостоев средняя температура почвы на глубине 20 см в июле также, как правило, не превышает + 6-7^о С . На гарях, особенно в первые послепожарные годы, средняя июльская температура в ризосфере возрастает на 6-12^о С и более по сравнению с нетронутыми огнем насаждениями. Одновременно с изменением температурного режима здесь в полтора-два раза увеличивается и мощность деятельного горизонта почвы.

Таким образом, приведенные данные по разным регионам области сплошного распространения многолетней мерзлоты, иллюстрируют в целом неудовлетворительную обеспеченность теплом корнеобитаемого слоя холодных мерзлотных почв в течение всего вегетационного периода.

Как средние годовые отрицательные, так и преимущественно низкие положительные температуры деятельного горизонта мерзлотных почв летом оказывают существенное влияние не только на характер почвообразовательных процессов, показанных ранее, но и на химические особенности холодных почв. Для них характерны высокая коллойдность, гидрофильность и низкая дисперсность. В общем составе мерзлотных почв преобладают фульвокислоты и низкомолекулярные кислоты.

Эти почвы характеризуются высоким содержанием подвижных форм железа и алюминия, что, в свою очередь, приводит к снижению доступных форм калия, аммиачного азота, нитратов и нитритов (Прокушкин, 1982). Общее снижение содержания элементов минерального питания в холодных мерзлотных почвах обусловлено также малоконденсированным составом гумуса, преимущественно кислой реакцией среды и замедленностью микробиологических процессов. В совокупности недостаточная теплообеспеченноть деятельного горизонта почвы и небольшая продолжительность периода с оптимальными температурами влияет на биологические процессы в целом и, как результирующее, находит отражение в