Annual Dynamics Of Hydrothermal Conditions Of Natural And Anthropogenic Transformed Soils

• Main Authors: Kiselev, M.V., Voropay, N.N., Cherkashina, A.A.
• Format: Text
• Language: unknown
• Published: Zenodo 2018
• Subjects: Soil temperature, natural and anthropogenic transformed soils, monitoring; permafrost
• Online Access: https://dx.doi.org/10.5281/zenodo.1248031; https://zenodo.org/record/1248031

Annual dynamics of hydrothermal conditions of natural and anthropogenic transformed soils 1 Kiselev M.V., 1,2 Voropay N.N., 2 Cherkashina A.A. 1 Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, Tomsk, Russia 2 V.B.Sochava Institute of Geography SB RAS, Irkutsk, Russia [e-mail], [e-mail], [e-mail] Soil temperature is a key factor controlling many biotic and abiotic processes in soils. It is important to perform temperature monitoring of peat and mineral soils. The autonomous atmospheric and soil temperature complex was used to study hydrothermal regime of soil at two sites (ledge and fir wood) with different vegetation cover, top soil structure and moisture. The observations were carried out from 1 July 2013 to 30 June 2017 in soil profile from surface to 320 cm. In the beginning of XX century, the present ledge site was occupied by a fir wood, but later it was used like a cropland. Tree cover was cut and the top soil was plugged and used for croplands. Now the croplands are abandoned and covered by steppe grasses. Differences in vegetation cover leads to differences in soil thermal regime. Soil at ledge site is better warm up, then soil at fir wood. Zero isotherm at fir wood site reach a depth of 120-130 cm, as on ledge site zero isotherm is observed deeper than 320 cm. Negative soil temperature exists at fir wood at depths from 130 to 320 and deeper. This layer is a permafrost mass. Permafrost was not observed at the ledge. Maximum soil temperature at ledge from surface to 320 cm vary in 2016 from 30.9 °C to 4.9 C. At the same time at fir wood soil temperature vary from 20.4 °C to -0.2 °C. Duration of warm period at fir wood is shorter than at ledge by one month on average. Seasonally frozen layer at ledge start thaw earlier by one month. Our research show how temperature regime transforms after changes in vegetation cover. Analysis of our data shows that vegetation cover have big influence on incoming solar radiation. Trees are absorbed a part of solar radiation and decreased the surface heat influx, but vegetation cover reduces heat loss at night hours due to radiation cooling. Внутригодовая динамика гидротермических условий естественных и антропогенно трансформированных почв 1 Киселев М.В., 1,2 Воропай Н.Н., 2 Черкашина А.А. 1 Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск, Россия 2 Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, Иркутск, Россия [e-mail], [e-mail], [e-mail] В существующих многочисленных определениях климата почва рассматривается как деятельная поверхность, под воздействием которой формируется климат атмосферы. Тем самым почва понимается как составная часть физико-географической среды, находящаяся во взаимодействии с климатом, но отнюдь не как особая среда его проявления. Климат почвы представляет собой совокупность внутрипочвенных физических явлений годовой и суточной цикличности, влияющих на жизнь и продуктивность почвы и находящихся в зависимости от внешнего климата, почвенных физико-химических свойств и воздействия на почву и ее покров [Шульгин, 1967]. В то время как атмосферный климат представляет собой физические явления, протекающие в воздушной оболочке земли, т.е. в смеси газов. Почвенный климат формируется в почве, которая, в отличие от атмосферы, является био-органо-минеральной системой, имеющей свои законы развития. Атмосфера в целом более или менее однородна на больших пространствах земли. Почва же неоднородна по своему составу и свойствам даже на сравнительно небольших территориях. Вследствие этого и физические явления, протекающие непосредственно в почве, менее однородны, чем в атмосфере. Теплофизическое состояние почв определяется растительным и снежным покровом, атмосферными климатическими характеристиками, физико-химическими свойствами почв, а также хозяйственной деятельностью человека. Рубки леса, распашка воздействуют не только на водно-воздушный, пищевой и биологический режимы почв, но и на их теплофизическое состояние. Изучение теплофизического состояния почв во взаимосвязи с их генетическими особенностями, характером и степенью естественного увлажнения, уплотнения и аэрации почвенного профиля необходимо как в целях генетической характеристики почв, так и для расчета, оценки и прогноза изменений в гидротермических режимах почвенных горизонтов под влиянием антропогенных воздействий. Формирование температурных полей в почве определяется ее теплофизическими свойствами: теплоемкостью, тепло- и температуропроводностью, которые в свою очередь являются функциями целого ряда почвенно-физических факторов, таких как влажность, гранулометрический состав, плотность, порозность, содержание органического вещества, температура. Все это обусловливает неоднородность почв по теплофизическим параметрам. Исследования проводились на базе Тункинского котловинного стационара Института географии им.В.Б Сочавы СО РАН на территории Тункинской котловины (юго-западное Прибайкалье, Республика Бурятия). Объект исследования – перегнойно-грубогумусовые почвы на песчаных озерно-аллювиальных отложениях. Было выбрано 2 ключевых участка. Первый участок представлен 20-летней залежью на перегнойно-грубогумусовой почве (залежь), второй – еловым лесом на перегнойно-грубогумусовой почве (ельник). Согласно картографическим данным в конце XIX в. оба эти участка находились под лесом. С начала ХХ в. первый участок стали использовать под пашню. Кризис агропроизводственного комплекса в конце ХХ в. привел к тому, что большая часть пахотных угодий на территории Тункинской котловины была заброшена и в данный момент находится на различных постагрогенных стадиях восстановления почвенно-растительного покрова. Изучение внутригодовой динамики температуры перегнойно-грубогумусовых почв под еловым лесом и на залежи проводилось на основе данных измерения за 2013-2017 гг., полученных при помощи атмосферно-почвенных измерительных комплексов (АПИК) [Кураков, 2012]. Датчики температуры располагались на поверхности почвы и на следующих глубинах: 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 80, 120, 160, 240 и 320 см, датчик влажности почвы (TRIME-PICO32) установлен на глубине 15 см. Периодичность измерений 1 час. Физико-химические свойства почв и подстилающих грунтов изучены общепринятыми в почвоведении методами. Были рассчитаны средние суточные, средние месячные и годовые значения температуры почвы в профиле 0-320 см и влажности почвы на глубине 15 см. Объемная влажность за период с температурой выше 0°С для залежи составила в среднем 18%, для ельника – 37 %. Распределение температуры почвы по профилю на изучаемых участках существенно отличается. На залежи можно выделить два четко выраженных периода: холодный, когда температура почвы по всему профилю ниже 0°С, и теплый, когда температура почвы выше 0°С. При этом зимой 2013/2014 и 2014/2015 гг. нижняя граница сезонно-мерзлого слоя находится ниже 320 см, в то время как зимой 2016/2017 гг. нижняя граница сезонно-мерзлого слоя отмечалась на глубине около 300 см. В то же время, участок, на котором расположен ельник, является сезоннопротаивающим. Максимальная глубина нулевой изотермы в теплый период составляет 120-130 см, ниже этой отметки наблюдается многолетняя мерзлота с температурой от 0 до -2°С. В холодный период глубина изотермы -2°С находится также около 120-130 см в течение всех лет наблюдения. Такие большие различия в особенностях температурного режима проявились на фоне изменения ландшафтной структуры одного из участков. При этом факторы формирования климата почвы на данных площадках одинаковые: атмосферный климат, форма рельефа, близость рек, водоемов, оросительных или дренажных систем, высота над уровнем моря. Таким образом, сведение растительности (леса) и распашка верхних горизонтов почвы на залежи привели не только к уменьшению влажности грунта, но и к изменению режима прогрева почвы в теплый период и промерзания в холодный. Также на участке залежь по сравнению с ельником изменился характер увлажнения почвы. В летний период участки закрытые кронами деревьев получают меньше увлажнения в виде осадков, чем открытые. При этом почва в ельнике более влажная, чем на залежи. Ельник имеет сравнительно менее однородное распределение фракций гранулометрического состава по профилю: от поверхности до 130 см почва состоит из крупного песка (размер фракций 0,5-1,0 мм) и его количество составляет от 10 до 35 %, с максимумом 30-35 % в слое 50-110 см. Остальная часть почвы состоит преимущественно из среднего песка (размер фракций 0,25-0,5 мм). Тогда как на залежи доля крупного песка во всем почвенном профиле изменяется от 8-10 до 20 %, остальная часть почвы также преимущественно состоит из среднего песка. Выше перечисленные факторы поодиночке вносят относительно небольшие изменения в температурный режим, но при комплексном воздействии всех факторов температурный режим значительно меняется. В первую очередь это отражается на скорости прогрева и промерзания почвы. Самым теплым за период исследования было лето 2016 г., на залежи максимальная в годовом ходе температура в профиле от поверхности до 320 см изменялась от 30,9°С до 4,9°С. В этом году в ельнике максимальная температура почвы изменялась от 20,4°С на поверхности до -0,2°С глубине 320 см. Наиболее холодной за период исследования была зима 2016/2017 гг. На залежи минимальная в годовом ходе температура в профиле изменялась от ‑4,1°С на поверхности до -0,1°С на глубине 320 см Зимой этого же года в ельнике минимальная температура почвы изменялась от -11,3°С на поверхности до -1,2°С на глубине 320 см. Переход температуры почвы через 0°С, который соответствует началу устойчивого промерзания почвы, на поверхности почвы на обоих участках происходит в ноябре. Однако в ельнике он в большинстве случаев наблюдается раньше, так осенью 2014 г. разница составила 14 дней, 2015 г. – 10 дней, 2016 г. – 3 дня. Исключением стал 2013 год, когда переход температуры почвы через 0°С в ельнике зафиксирован позже на 2 дня, чем на залежи. Оттаивание почвы, а следовательно и устойчивый переход температуры через 0°С в сторону положительных температур, наблюдается на залежи в марте, в ельнике – в апреле. Таким образом, во время наступления метеорологической весны залежь начинает оттаивать значительно раньше: в 2014 г. эта разница составила 15 дней, в 2015 г. – 25 дней, в 2016 г. – 22 дня, в 2017 г. – 6 дней. Такая разница в датах начала промерзания и оттаивания поверхности почвы возникает в основном из-за различий в растительном покрове. При промерзании суточная амплитуда температуры на поверхности почвы в ельнике меньше, чем на залежи, а прогрев поверхности не такой интенсивный, что способствует активному промерзанию почвы. Весной в ельнике растительность также поглощает часть приходящей солнечной радиации, тем самым уменьшает скорость таяния снега, и это приводит к увеличению продолжительности существования мерзлого слоя. С увеличение глубины увеличиваются различия температуры почвы между площадками. Так на залежи на глубине 120 см переход температуры через 0°С в сторону отрицательных температур наблюдается в декабре. Тогда как в ельнике он происходит преимущественно в ноябре. Переход через 0°С в сторону положительных температур на глубине 120 см на залежи фиксируется в мае, а в ельнике в сентябре. На залежи продолжительность периода с положительными температурами почвы на поверхности больше, она изменяется в пределах от 198 до 215 дней, тогда как в ельнике от 176 до 193 дней. На залежи с увеличением глубины продолжительность периода с температурой выше 0°С почти не изменяется и на 120 см в разные годы составляет от 204 до 219 дней. В то время как в ельнике этот период сильно уменьшается и изменяется от 22 до 80 дней, в зависимости от условий конкретного года, а глубже 130 см наблюдается многолетняя мерзлота. В результате сведения лесного массива на участках, выбранных под пашню в начале XX века, перегнойно-грубогумусовая почва претерпела гомогенизацию гумусового горизонта и облегчение его гранулометрического состава за счет частичного припахивания нижележащего песчаного горизонта. Агрогенное использование привело к изменению химических (частичной минерализации органического вещества, обеднению органическим веществом и азотом) и физических (гранулометрический состав, плотность) характеристик гумусового горизонта почвы, что привело к изменению таких характеристик как теплопроводность и влагоемкость. Кроме того, полученные данные показывают, что на оттаивание грунтов большое влияние оказывает растительность, которая мешает поступлению солнечной радиации на поверхность, а следовательно и прогреву почвенной толщи. С другой стороны, растительность препятствует радиационному выхолаживанию поверхности. Литература Шульгин А.М., Климат почвы и его регулирование. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1967. –300 с. Кураков С.А. Система автономного мониторинга состояния окружающей среды // Датчики и системы. – 2012. – № 4. – С. 29-32. Исследование выполнено в рамках проекта 0347-2016-003 и при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-05-00306