Temperature regime of peat deposit of ombrotrophic bogs in the forest-steppe zone of Western Siberia (the example of the.pdf Введение Верховые сосново-кустарничково-сфагновые болота (рямы) в лесостепной зоне Западной Сибири - это уникальные экстразональные экосистемы, которые существуют в условиях недостаточного увлажнения среди засолённых почв и низинных евтрофных болот (займищ) [1]. Данные рямы имеют вид небольших округлых островков площадью от нескольких единиц до нескольких десятков квадратных километров, в центральной части которых часто образуются вторичные озёра. Рямы являются очагами произрастания арктобореальных и бореальных растений на южной границе их распространения [2], чувствительных к климатическим изменениям. Поэтому необходимы мониторинговые наблюдения за динамикой климатических пара- Температурный режим торфяных олиготрофных почв лесостепи 191 метров окружающей среды. Однако до сих пор не проводилось режимных метеорологических наблюдений, в частности, изучения температурного режима торфяной залежи на территории таких болот. Температурный режим почв зависит от радиационного баланса и интенсивности теплообмена между атмосферой и подстилающими грунтами. Исследования, проведённые в различных регионах Сибири, показывают, что высота снежного покрова в зимний период имеет большее влияние на температуру почвы, чем температура воздуха [3-5]. Начиная с середины XX в. наблюдается тенденция к повышению температуры почв Сибири [6, 7], причём преимущественно в холодный период года [8]. В летнее время быстрый прогрев верхнего слоя торфяной залежи может осуществляться потоком дождевой влаги [9]. Характер растительности оказывает влияние на температурный режим почвы, в частности, время её промерзания и оттаивания [10]. В южной тайге Западной Сибири многолетний мониторинг температурного режима торфяной залежи сосново-кустарничково-сфагнового верхового болота показал, что теплоизолирующая способность мохового очёса и насыщенность водой являются причиной тепловой инерции, что выражается в уменьшении температурных колебаний, снижении прогревания в тёплое время года и остывания - в холодное, а также падении глубины промерзания в три раза по сравнению с минеральными почвами [11, 12]. Теплопроводность мхов и объёмная теплоёмкость не зависят от толщины мохового мата и линейно зависят от содержания в нём воды, но эти зависимости не видоспецифичны; мхи снижают амплитуду почвенной температуры и частоту замерзания-оттаивания в течение вегетационного сезона, но не среднюю температуру почвы [13]. В течение года торфяная залежь открытых травяно-сфагновых верховых болот теплее по сравнению с рямами [14]. Цель данной работы - выявление особенностей температурного режима торфяной олиготрофной почвы сосново-кустарничково-сфагнового верхового болота в Барабинской лесостепи Западной Сибири. Материалы и методики исследования Исследование проведено на территории Николаевского ряма (также называемого «урочище Ипатиха»), который расположен в Убинском районе Новосибирской области в пределах Барабинской лесостепи (55°08'59''N, 79°02'59''E). Почвы ряма торфяные олиготрофные [15]. Залежь сложена главным образом верховым фускум-торфом слабой степени разложения, глубина залежи в центре ряма 4,3 м [16]. Болотные воды весной стояли на глубине 5-20 см (от уровня межкочечных понижений) и опускались к концу лета до 40-70 см. Фитоценоз в центральной части ряма представлял собой сосново-кустарничково-сфагновое сообщество, а по периферии - берёзово-кустарничково-сфагновое. Древесный ярус сформирован болотной формой 192 Н.Г. Коронатова, Н.П. Миронычева-Токарева сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. f. uliginosa Abolin и берёзой пушистой Betula pubescens Ehrh. Среди кустарничков преобладали Ledum palus-tre L. и Chamaedaphne calyculata (L.) Moench, присутствовали Vaccinium vitis-idaea L., Oxycoccus microcarpus Turcz. ex Rupr. Травяной покров не развит, редко встречался Rubus chamaemorus L. В моховом покрове доминировали Sphagnum fuscum (Schimp.) Klinggr. и S. angustifolium (Russ. ex Russ.) C.Jens., на низких кочках росли S. magellanicum Brid. и S. capillifo-lium (Ehrh.) Hedw. Климатические характеристики района исследования, полученные по данным метеостанции Барабинск [17], приведены в табл. 1. Средняя годовая температура воздуха в течение 4 лет менялась от -0,1 до 2,8°С, при этом среднее многолетнее значение для данной территории за последние 30 лет (1981-2010 гг.) составило 1,2°С [18]. Самым тёплым месяцем года являлся не только июль (2013 и 2016 гг.), но также июнь (2015 г.), а в 2014 г. близкие средние месячные температуры (17,2-17,9°С) наблюдались в течение трёх летних месяцев с максимумом в августе. Таблица 1 [Table 1] Климатическая характеристика района исследования по данным метеостанции Барабинск [17] [Climatic characteristics of the study area according to Barabinsk meteorological station] Параметры [Parameters] Годы Years] 2012/13 2013/14 2014/15 2015/16 Средняя годовая температура [Average annual temperature], °С -0,1 2,0 2,0 2,8 Средняя температура самого тёплого месяца [Average temperature of the warmest month], °С 18,7 17,9 19,6 19,8 Средняя температура самого холодного месяца [Average temperature of the coldest month], °С -25,5 -21,0 -15,2 -22,1 Сумма положительн^іх температур воздуха [Sum of positive temperatures], °С 2 324 2 378 2 595 2 717 Сумма отрицательн^іх температур воздуха [Sum of negative temperatures], °С -2 365 -1 666 -1 808 -1 660 Годовая сумма осадков, мм [Annual precipitations, mm] 513 330 429 417 Примечание. Здесь и далее началом года считается 1 октября предыдущего года, а окончанием - 30 сентября текущего года (так называемый «гидрологический год»), поскольку в календарном году холодный период разбивается летним периодом на два несвязанных временных отрезка, обобщённая метеорологическая характеристика которых не имеет смысла для возможной интерпретации биологических и биохимических процессов в летнее время, обусловленных текущими и предшествующими погодными условиями. [Note. Hereinafter, the beginning of the year is considered October 1 of the previous year, and the end is September 30 of the current year (the so-called “Hydrological Year”), since in the calendar year, the cold period is broken by the summer into two unconnected time intervals, the generalized meteorological characteristics of which are purposeless for possible interpretation of biological and biochemical processes in the summer time which are due to current and previous weather conditions]. Температурный режим торфяных олиготрофных почв лесостепи 193 Минимальная средняя месячная температура воздуха в Барабе -17,1°С [18]. В течение изучаемого периода разброс средних месячных минимумов составил от -15 до -26°С, которые приходились не только на январь, но и на февраль (в 2014 г.), а также на декабрь зимой 2012/13 г. Средние месячные максимумы изменялись значительно меньше, наибольшая разница между годами не превысила 2°С. Годовая сумма средних суточных положительных температур воздуха увеличивалась из года в год, причём разница между 2013 и 2016 гг. составила почти 400°С. Сумма средних суточных отрицательных температур в течение периода наблюдений не отличалась постоянством, наименьшие абсолютные значения (по модулю) получены в 2014 и 2016 гг., а наибольшее - в 2013 г., максимальная разница между годами оказалась около 700°С. Осенний устойчивый переход температур воздуха через 0°С происходил в первую декаду ноября, но в 2013 г. он пришёлся на последнюю декаду ноября, а в 2016 г. - на вторую декаду октября. В целом за наблюдаемый период зима наступала позже по сравнению с серединой XX в. [1]. Весенний переход температур через 0°С наблюдался, как правило, в первой декаде апреля, а в 2016 г. - в последней декаде марта. В течение изучаемого периода сумма осадков оказалась выше по сравнению со среднемноголетней, которая составляет в Барабинском районе 380 мм [1, 18]. Доля осадков в летние месяцы составила 31-48% от годовых. Самым дождливым стало лето 2013 г., когда выпало 210 мм осадков. Наибольшее количество летних осадков выпадало обычно в июле и августе, а в 2016 г. - в июне и июле. В мае и июне осадки, как правило, скудны, от 13 до 27 мм в месяц, но май 2013 г. отличался дождливостью (64 мм). Максимальная мощность снежного покрова достигала к февралю-марту от 32 до 47 см в разные годы. Для изучения температурного режима торфяной олиготрофной почвы Николаевского ряма использовали автономный измеритель профиля температуры АИПТ (ИМКЭС СО РАН, г. Томск) [19], установленный в центральной части ряма в крупной кочке. Температуру фиксировали на глубинах 2, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 60, 80, 120, 160, 240 и 320 см, частота измерений - один раз в час. Запись температуры с 05 октября 2012 г. до 22 мая 2017 г. с перерывом в период 24 мая - 25 сентября 2013 г. Датчик на глубине 320 см вышел из строя через 1,5 года работы, поэтому данные для этой глубины включены в немногие приводимые оценки. Построение графиков, гистограмм и расчёт средних арифметических с определением ошибки средней выполнены в программе Microsoft Excel 7.0. Для выяснения тесноты связи параметров рассчитали коэффициент корреляции Пирсона в программе StatSoft STATISTICA 8.0. Результаты исследования и обсуждение Средняя месячная и средняя суточная температура почвы. В тёплое время года ход температуры в верхнем моховом слое ряма совпадал с хо- 194 Н.Г. Коронатова, Н.П. Миронычева-Токарева дом температур воздуха: коэффициент корреляции (k) между средними суточными значениями воздуха и поверхностного слоя болота составил 0,94 (р < 0,0001). В холодное время года температура воздуха значительно ниже, чем торфяной залежи, динамика хода средних месячных температур совпадала лишь частично (рис. 1), k для средних суточных зимних значений составил 0,74 (р < 0,0001). В холодный период ход средних суточных температур воздуха и торфяной залежи совпадал только в начале ноября, когда снежный покров тонок и отсутствовала теплоизоляция наземного растительного покрова и торфяной залежи. Так, в ноябре 2012 г. при снижении температуры воздуха до -17°С температура мохового покрова на глубине 2 см опустилась до -11°С, а уже в середине декабря этого же года при снижении температуры воздуха до -39°С температура на этой же глубине оказалась выше: около -7°С. С января по март температура в верхнем слое болота оставалась в пределах -2^-6°G во все годы наблюдений. Наибольшие средние месячные температуры верхнего мохового слоя болота зафиксированы в июне или июле и повышались от 18,4 до 20,2°С в течение 2014-2016 гг. В верхнем 20-сантиметровом слое разница температуры между годами составила 1,5-1,8°С, а с глубины 30 см и ниже сократилась до 0,5-0,7°С. В течение лета прогревание верхнего 20-сантиметрового слоя, где отсутствовали болотные воды и сосредоточены корневые системы растений и живые мхи, происходило равномерно (средняя месячная температура 17-20°С), разница между глубинами 2 и 20 см составляла около 1,5°С для каждого летнего периода (см. рис. 1). На глубине 30 и 40 см, где периодически присутствовали болотные воды, температура снижалась более существенно: на 1,5-2°С каждые 10 см. В нижележащих постоянно насыщенных болотными водами слоях дальнейшее уменьшение средней месячной температуры на 1-1,5°С происходило через каждые 10 см до глубины 80 см. Средняя месячная температура летом на протяжении второго метра залежи не превышала 9°С, на глубине 2,4 м - 5°С, а на глубине 3,2 м - 4°С. Максимальные средние суточные температуры в поверхностном слое болота зафиксированы также в июне и июле, составив 24,7°С в 2014-2015 гг. и 23,2°С в 2016 г., а температура воздуха в соответствующие дни этих же лет достигала 25,9; 26,3 и 24,2°С. В зимний период вся торфяная толща обычно охлаждалась до средних месячных температур не ниже -6°С, в то время как средняя месячная температура воздуха опускалась ниже -20°С в феврале 2014 г. и январе 2016 г. и изменялась от -15 до -17°С в январе 2015 и 2017 гг. В то же время самые низкие средние суточные температуры верхней толщи торфяной залежи приходились всегда на ноябрь, опускаясь до -11^-17°C, когда ещё не сформирован теплоизолирующий снежный покров и низкие температуры проникают вглубь мохово-торфяной толщи. Так, в 2012 и 2014 гг. минимум температуры на глубине 2 см составил -10,9 и -11,3°С при температуре воздуха -17,3 и -18,9°С соответственно. В ноябре 2015 и 2016 гг. зафиксированы сильные Температурный режим торфяных олиготрофных почв лесостепи 195 морозы со средней суточной температурой воздуха -22,0 и -28,7°С, температура поверхностного слоя болота оставалась -15,7 и -15,4°С соответственно. В 2013 г. ноябрь оказался аномально тёплым, температура воздуха не опускалась ниже -9°С и температура верхнего слоя болота составила -5,4°С. Рис. 1. Динамика хода средних месячных температур воздуха (по данным метеостанции Барабинск) и торфяной залежи на разных глубинах [Fig. 1. Dynamics of monthly air temperature (according to Barabinsk meteorological station) and peat deposit temperature at different depths. On the X-axis - Years and months; on the Y-axis - Temperature, °C] Средние месячные зимние температуры (с ноября по февраль) поверхностного слоя болота снижались год от года, начиная с -2,0°С в 2013/14 г. до -5,1°С в 2016/17 г., хотя более суровые и более мягкие зимы чередовались в течение времени наблюдений. Отрицательные температуры проникали до глубины 40 см во все годы, а в марте-апреле 2016 г. отмечены на глубине 60 см. Ниже 60 см средняя месячная и средняя суточная температура залежи всегда оставалась в зоне положительных значений. Начиная с глубины 40 см и ниже, разница по годам между минимальными средними месячными температурами составила 0,2-0,6°С, в то время как в верхней 20-сантиметровой толще - 3,5-4,3°С. В отличие от такого же болота в южной тайге Западной Сибири [12] в торфяной залежи Николаевского ряма средние месячные летние температуры выше, а зимние температуры сходны. Суточные колебания температур имели место в летнее время, и уже на глубине 30 см они составляли около 2°С, а на глубине 40 см - отсутствовали. В то же время в южнотаёжном болоте суточные колебания затухали уже на глубине 15-25 см [9]. Очевидно, более низкое стояние болотных вод Николаевского ряма определяет большую глубину проникновения суточных колебаний. Изменение температур в связи с кратковременными погодными 196 Н.Г. Коронатова, Н.П. Миронычева-Токарева флуктуациями длительностью в несколько дней отражалось на динамике температур до глубины 40 см. В нижележащих слоях тепловые волны связаны только с годовой динамикой температур. Характер запаздывания тепловой волны в верхнем аэрируемом слое торфяной залежи различался в разные годы в зависимости от гидрологических и погодных условий. Так, в 2014 г. запаздывание максимума температуры на месяц отмечено на глубине 30 см, а в 2015 г. - уже на глубине 15 см, и в этом году максимум в поверхностном слое наблюдался в июне, а не в июле, как в другие годы. В 2016 г. во всей толще 2-40 см сдвига температурного максимума, который приходился на июль, по данным средних месячных значений, не наблюдалось. Это можно связать с тем, что в этом году болотные воды стояли высоко, снижаясь от 8 см в конце апреля лишь до 25 см в конце июля, и только осенью они упали ниже 60 см. В залежи ниже 60 см, где постоянно присутствовали болотные воды, динамика запаздывания тепловой волны одинакова из года в год: в слое 60-80 см максимальные месячные температуры зафиксированы в августе, в слое 120-160 см - в сентябре, на глубине 240 см - в октябре, а на глубине 320 см - в декабре, т.е. здесь запаздывание составило 5-6 мес относительно поверхности. Средние годовые значения температур, годовая амплитуда и сумма температур. Средняя годовая температура составила на глубине 2 см 4,8-5,1°С, почти не изменилась на глубине 20 см (4,7-5,1°С), уменьшилась на глубине 60 см до 4,3-4,6°С и упала на глубине 240 см до 3,3-3,7°С. В каждый год наблюдений отмечено небольшое увеличение средних годовых значений на глубинах 5 и 20 см. Полученные для поверхностного слоя значения на 0,6-0,9°С выше, чем в южной тайге, и снижение температуры с глубиной в Николаевском ряме существеннее, чем в южной тайге, где годовая температура мало менялась ниже 20 см [12]. Рис. 2. Годовая амплитуда температур на разных глубинах торфяной залежи [Fig. 2. Annual amplitude of temperatures at different depths in the peat deposit. On the X-axis - Depth, cm; on the Y-axis - Amplitude, °C] Глубина, см [Depth, cm] ---2014 ---2015 ---2016 Температурный режим торфяных олиготрофных почв лесостепи 197 Годовая амплитуда температуры почвы на глубине 20 см позволяет оценить степень континентальности почв [20]. Амплитуда составила 19,2; 20,0 и 23,4°С с 2014 по 2016 г., что для минеральных почв соответствует умеренному континентальному климату. Годовые амплитуды снижались вниз по профилю (рис. 2). В верхних 30 см разница между годами составила 2-3°С, а в нижележащей торфяной залежи амплитуда оставалась стабильной, разницы между годами не наблюдалось. По сравнению с южно-таёжным болотом [12], амплитуда в лесостепном ряме оказалась выше на глубине 2 см на 4-9°С и на глубине 80 см - на 4°С. Сумма положительных средних суточных температур характеризует теп-лообеспеченность биоты. Этот показатель в поверхностном слое болота составил от 2200 до 2400°С, увеличиваясь из года в год (рис. 3). В это же время сумма положительных средних суточных температур воздуха равнялась 2400-2700°С, т.е. поверхность болота весьма эффективно аккумулирует тепло в течение вегетационного периода. До глубины 20 см эта величина снижалась медленно, и составила здесь 2000-2200°С. Между 20 и 30 см сумма температур снижалась быстрее, а глубже снижение опять замедлилось в связи с постоянным присутствием болотных вод. На глубине 2,4 м сумма положительных температур на 1000°С меньше, чем в поверхностном слое. Глубина, см [Depth, cm] Положительные температуры [Positive temperatures] Отрицательные температуры [Negative temperatures] ■ 6013/14 ^2014/15 ■ 2015/16 □2016∕17 ■ 2012/13 ■ 2014 ^2015 ^2016 Рис. 3. Сумма положительных и отрицательных температур на разных глубинах торфяной залежи [Fig. 3. The sum of positive daily temperatures is shown by hatching, the sum of negative daily temperatures - by solid filling. On the X-axis - Depth, cm; on the Y-axis - Temperature, °C] Сумма отрицательных средних суточных температур, как и сумма положительных температур, имела тенденцию увеличения (по модулю) в течение пяти зимних периодов. В то же время сумма отрицательных температур воздуха составила ниже -2100°C в 2012/13 и 2016/17 гг.; -1660_-1665°С в 198 Н.Г. Коронатова, Н.П. Миронычева-Токарева 2013/14 и 2015/16 гг.; и около -1880°С в 2014/15 г., т.е. динамика изменения этого параметра для воздуха и мохово-торфяной залежи не совпадает в связи с изменением по годам мощности и времени установления снежного покрова, который оказывает существенную роль в температурном режиме почв в зимний период. Так, в наиболее холодную зиму 2012/13 г. первый снег выпал позже обычного, но его накопление шло интенсивно в начале зимы, так что слой снега мощностью 20 см сформировался к 13 ноября. В такую же суровую зиму 2016/17 г. слой снега той же мощности сформировался к 24 ноября. Зимой 2013/14 г. снежный покров установился только 2 декабря, когда после обильного снегопада его мощность стала 15 см, однако высокое стояние болотных вод осенью и аномально тёплая погода в предыдущий период с суммой отрицательных температур в 3-4 раза меньшей, чем в другие годы за этот же отрезок времени, обусловила минимальную сумму отрицательных температур в эту зиму. С глубиной сумма отрицательных температур плавно уменьшалась: слабо - в верхнем десятисантиметровом слое и резче - в нижележащей толще. С глубины 60 см отрицательные температуры отсутствовали. Солнечная энергия активно преобразуется и аккумулируется в почве в процессе теплообмена между приземным воздухом, приземным растительным покровом, почвой и почвообразующей породой [21]. Поэтому отношения суммы температур почвы к суммам температур воздуха - это интегральный показатель, который характеризует способность и степень прогреваемости почвы, что имеет важнейшее значение в биологических и физико-химических процессах. Одним из таких показателей являются N-факторы, которые рассчитываются как отношение суммы средних суточных температур поверхности почвы к сумме средних суточных температур воздуха. Они различаются в разных почвенно-растительных типах (биогеоценозах) и могут быть инструментом параметризации при моделировании температурного режима [22, 23]. Мы рассчитали отношение суммы средних суточных температур на глубине 2 см от поверхности мохового покрова к сумме средних суточных температур воздуха, поскольку отсчёт глубины в нашем исследовании вёлся от поверхности болота, а верхние 2 см в таких болотах - это слой живых сфагновых мхов. Ещё один общепринятый термический показатель рассчитывают как отношение суммы средних суточных температур почвы на глубине 20 см к сумме средних суточных температур воздуха [20, 21] (табл. 2). Соотношение положительных температур снизилось с 2014 к 2016 г., что говорит о снижении поглощения тепла поверхностью болота в течение этих лет. Напротив, соотношение отрицательных температур, которое характеризует аккумуляцию холода в залежи, оказалось ниже в течение первых двух зим и возросло в последующие три зимних периода. Низкую аккумуляцию холода в зиму 2012/13 г. мы связываем с интенсивным снегонакоплением в начале зимы, когда уже к 13 ноября мощность снежного покрова достигла 20 см, в то время как в остальные зимние пе- Температурный режим торфяных олиготрофных почв лесостепи 199 риоды в это же время мощность снежного покрова составляла около 10 см. В следующую зиму 2013/14 г. накопление снега, наоборот, шло медленно, а низкая аккумуляция холода вызвана аномально тёплой погодой в течение октября-ноября, о чём сказано выше, а также нетипично высоким уровнем стояния болотных вод (на глубине около 20 см). Таблица 2 [Table 2] Соотношения сумм положительных и отрицательных температур на глубине 2 см (в числителе) и 20 см (в знаменателе) к положительным и отрицательным суммам температуры воздуха [Ratio of positive and negative temperature sums at a depth of 2 cm (in the numerator) and 20 cm (in the denominator) to positive and negative sums of air temperatures] Сумм^і температур [Temperature sums] Годы [Years] 2012/13 2013/14 2014/15 2015/16 2016/17 Положительн^іе [Positive] Нет данных [No data] 0,96 / 0,82 0,93 / 0,84 0,90 / 0,80 Нет данных [No data] Отрицательн^іе [Negative] 0,20 / 0,13 0,18 / 0,06 0,31 / 0,18 0,31 / 0,18 0,34 / 0,21 Глубина, см [Depth, cm] ---1 ---II ---III ---IV ---V ---VI ---VII ---VIII ---IX ---X ---XI ---XII Рис. 4. Усреднённые по годам градиенты температуры (°С / см) на разных глубинах, распределённые по месяцам [Fig. 4. Temperature gradients averaged over the years (°С / cm) at different depths and distributed by months. On the X-axis - Depth, cm; on the Y-axis - Gradient, °C / cm] Увеличение суровости климата в течение наблюдаемых лет не противоречит концепции о глобальном климатическом потеплении, поскольку есть модели, предсказывающие при потеплении климата увеличение зимних осадков и, в многоснежных районах, понижение минимальной температуры почвы, что показано для северных регионов США [24]. 200 Н.Г. Коронатова, Н.П. Миронычева-Токарева Градиенты температуры. Градиенты температуры залежи оказались схожи в одни и те же месяцы разных лет. Поэтому на рис. 4 приведены усреднённые по годам изменения градиентов с глубиной для каждого месяца. Градиенты температуры являются положительными, когда поток тепла направлен из почвы в атмосферу, т.е. происходит остывание торфяной залежи, и отрицательными, когда поток тепла направлен в обратном направлении, т.е. происходит прогревание почвы. В зимние месяцы, с декабря по февраль, изменения градиентов с глубиной идентичны, и градиенты имеют невысокие положительные значения с максимальными значениями от 0,107 до 0,126°С/см на глубине 15-30 см, где постепенно затухает проникновение волны холода. Самые высокие положительные градиенты получены для ноября, когда происходит интенсивное остывание и наибольшее промерзание почвы. Почти одинаковые и минимальные положительные градиенты (до 0,065 °С/см на глубине 15-20 см) отмечены в марте и сентябре с той разницей, что в марте градиенты всегда положительны, а в сентябре становятся отрицательны в слое ниже 40 см, когда запаздывающая тепловая волна достигает глубоких слоёв. Отрицательные градиенты температуры характерны для тёплого времени года - с апреля по август. Наибольшие значения (по модулю) получены для мая во время интенсивного прогревания. В течение лета, с насыщением торфяной залежи теплом, они постепенно уменьшались, а также происходил сдвиг максимальных значений с глубины 20-30 см на глубину 40-60 см вслед за падением уровня болотных вод, которые, по-видимому, ограничивают максимальные абсолютные значения градиентов, поскольку здесь проходит граница аэрируемого и насыщенного водой слоёв торфа. В отличие от Николаевского ряма, в южнотаёжном верховом болоте более высокое стояние болотных вод обусловило наибольшие абсолютные значения летних градиентов в слое от 10 до 20 см [9]. Динамика промерзания и оттаивания. Осенью и весной, перед установлением стабильных отрицательных или положительных температур в почве, всегда присутствовал переходный период, в течение которого температура колебалась вокруг нулевой отметки в течение суток или нескольких дней. Осенью в поверхностном слое болота он наступал с 30 сентября (в 2014 г.) по 15 октября (в 2012 г.) и заканчивался между 18 октября (в 2016 г.) и 7 ноября (в 2013 г.), так что его длительность составляла от 12 до 25 дней в слое 2-15 см (рис. 5). Наибольшая длительность этого периода отмечена в 2013 и 2014 гг. С глубиной происходило его смещение на более поздние сроки и сокращение длительности. Так, на глубине 15-20 см он наступал в период 4 октября - 21 ноября и продолжался 8-17 дней. На глубине 30-40 см переходного периода не наблюдалось, температура в течение одного дня опускалась до минусовых значений, за исключением осени 2012 г. Весной такой же период температур, колеблющихся выше и ниже нулевой отметки, начинался и заканчивался между 2 апреля и 21 мая и очень Температурный режим торфяных олиготрофных почв лесостепи 201 быстро охватывал весь сезонномёрзлый слой. Из-за постоянных ночных заморозков в 2014 г. его длительность достигла 49 дней, в 2015 и 2017 гг. составила 21-25 дней, а в 2013 и 2016 гг. - 12-17 дней. С глубиной длительность этого периода также снижалась, обычно пропорционально длительности в поверхностном слое. В то же время в 2014 г., когда положительные и отрицательные температуры в верхнем слое сменялись на притяжении 2,5 мес, сезонная мерзлота на глубине 40 см исчезла в течение двух дней, а в 2016 г., когда для установления постоянных положительных температур в верхнем слое понадобилось менее двух недель, на глубине 40 см этот период растянулся почти на месяц. Таблица 3 [Table 3] Длительность безморозного периода (в числителе) и длительность периода с положительными средними суточными температурами (в знаменателе) [The duration of the frost-free period (in the numerator) and the duration of the period with positive average daily temperatures (in the denominator)] Глубина, см [Depths, cm] Годы [Years] Максимальная разница между годами, дни [Maximum difference between years, days] 2013 2014 2015 2016 2 168 / 202 132 / 196 133 / 193 170 / 194 38 / 9 5 173 / 207 132 / 200 133 / 202 170 / 195 41 / 12 10 181 / 206 132 / 197 133 / 205 170 / 192 49 / 14 15 182 / 207 152 / 196 187 / 204 170 / 192 35 / 15 20 201 / 218 161 / 197 187 / 209 172 / 196 40 / 22 30 245 / 251 153 / 201 191 / 208 191 / 203 92 / 50 40 282 / 286 182 / 212 198 / 202 179 / 194 103 / 92 Длительность безморозного периода рассчитывают по числу дней между последней зафиксированной отрицательной температурой в весенний период и первой отрицательной температурой в осенний период [25]. Мы рассчитали этот показатель для мохово-торфяной залежи ряма, поскольку с ним связано функционирование почвенной биоты, включая корневые системы растений. Разница в длительности безморозного периода между годами достигала 1-1,5 мес в верхнем аэрируемом 20-сантиметровом слое (табл. 3). В слое 30-40 см, который непостоянно находится в зоне влияния болотных вод, длительность периода увеличивалась и достигала около 100 дней. В отличие от предыдущего параметра, продолжительность периода с температурой выше 0°С учитывает число дней с положительной средней суточной температурой, которые могут перемежаться с днями, когда средняя суточная температура отрицательна. Этот показатель оставался более стабильным в течение изучаемого периода, составив 196±2 дня в поверхностном слое (см. табл. 3). До глубины 20 см разница по годам увеличивалась до трёх недель, а на глубине 30 и 40 см составила 50 и 92 дня соответственно. 202 Н.Г. Коронатова, Н.П. Миронычева-Токарева Месяц^і [Months] Месяц^і [Months] Месяц^і [Months] Месяц^і [Months] Месяц^і [Months] Рис. 5. Динамика высоты снежного покрова (по данным метеостанции Барабинск [17]) и глубины сезонномёрзлого слоя в разные годы наблюдений. Тёмной заливкой показан слой с постоянными отрицательными температурами, светлой - период чередующегося промерзания-оттаивания. Расчёт глубины промерзания зимой 2012/13 и 2013/14 гг. проведён стандартным методом [25] [Fig. 5. Dynamics of snow cover depth (according to Barabinsk meteorological station [17]) and the depth of the seasonally frozen layer in different years of the study. Dark fill shows a layer with constant negative temperatures, light fill shows a period of alternate freezing-thawing. Calculation of the freezing depth in winter 2012/13 and 2013/14 was carried out by the standard method [25]] Температурный режим торфяных олиготрофных почв лесостепи 203 Поскольку у основных продуцентов верховых болот, сфагновых мхов, фотосинтез начинается при температуре воздуха чуть выше нулевой, когда снег полностью ещё не сошёл [26], данный показатель может оказаться более информативным при рассмотрении условий функционирования болотных экосистем по сравнению с параметром «длительность безморозного периода». Интересно, что число дней с непрерывными отрицательными температурами на глубине 2 см в Николаевском ряме составило 161±5, а в более северном болоте южной тайги - 151±20 [12], что можно связать как с более мягким почвенным климатом в условиях большей обводнённости и принадлежности к огромному болотному массиву южнотаёжного болота, так и с многолетними климатическими флуктуациями, так как в южной тайге исследования проводились раньше. Глубина промерзания торфяной залежи достигала в апреле 60 см в последние три года наблюдений (рис. 5). При этом в южной тайге в те же годы наблюдений максимальные глубины промерзания менялись в двух рямах от 31 до 52 см, составив в среднем 38 см [27]. Медленное промерзание зимой 2013/14 г. объясняется как тёплой осенней погодой, так и необычно высоким уровнем стояния болотных вод (около 20 см) при наступлении зимы. Весной оттаивание наступало почти сразу по всей глубине после схода снежного покрова. На нашем болоте мерзлота полностью исчезала в начале мая, в то время как в южной тайге исчезновение мёрзлого слоя происходило в мае-июне [12]. Весенний реверс температур в верхней метровой толще торфяной залежи происходил почти синхронно на разных глубинах в апреле, а осенний реверс продолжался с сентября по октябрь. Температурный режим торфяных олиготрофных почв в лесостепной зоне Западной Сибири определяется рядом факторов: ходом температуры воздуха; степенью обводнённости и уровнем стояния болотных вод; для зимнего периода - мощностью и временем установления снежного покрова. По сравнению с такими же почвами южной тайги, которые характеризуются сходным ботаническим составом торфа и аналогичным фитоценозом, произрастающим на них, торфяные олиготрофные почвы лесостепи отличаются увеличением мощности деятельного слоя и возрастанием континентальности почвенного климата, что обусловлено более низким стоянием болотных вод. Выводы 1. В тёплый период года температурный режим мохово-торфяной толщи верховых болот Западно-Сибирской лесостепи определяется ходом летних температур и уровнем стояния болотных вод. В зимний период температурный режим торфяной залежи в меньшей степени определяется ходом температур воздуха и зависит от наличия и времени установления снежного покрова и уровня стояния болотных вод в осенний период. Критическим периодом являются октябрь и ноябрь, когда снежный покров ещё не обе- 204 Н.Г. Коронатова, Н.П. Миронычева-Токарева спечивает теплоизоляцию. Самые низкие средние суточные температуры почвы приходятся на ноябрь. 2. В течение изучаемого периода наблюдалось усиление континентальности почвенного климата, которое проявлялось в увеличении абсолютных значений сумм положительных и отрицательных температур, понижении глубины промерзания торфяной толщи, а также увеличении годовой амплитуды верхнего 40-сантиметрового слоя. 3. Температурный режим в моховом покрове и торфяной почве в поверхностном слое до 40 см зависит от многолетней динамики болотных вод, характеризуется максимальной контрастностью температурных условий, является изменчивым по годам, что должно оказывать влияние на различия в режиме функционирования биоценоза по годам. 4. Температурный режим торфяной залежи ниже 40 см консервативен в связи с постоянным присутствием болотных вод, что определяет одинаковые годовую амплитуду и ход тепловой волны вглубь, отсутствие отрицательных температур, наиболее низкие градиенты температур. 5. По сравнению с такими же почвами в южной тайге торфяные олиготрофные почвы лесостепной зоны отличаются более высокими средними значениями летних температур, большей глубиной затухания суточных колебаний температуры, более существенным снижением средних годовых температур с глубиной, большей годовой амплитудой по профилю, большей глубиной распространения максимальных температурных градиентов, более ранними сроками исчезновения сезонной мерзлоты, а также большей длительностью периода с отрицательными температурами и большей глубиной промерзания, что в целом указывает на более континентальные условия в торфяной почве лесостепи по сравнению с южной тайгой в связи с низким стоянием болотных вод.

Скачать электронную версию публикации