Параметры температурных режимов почв естественных ландшафтов
Температурный режим почвы — изменение во времени её температурного поля — является важной характеристикой современного функционирования почв и энергетики почвообразовательных процессов. Главным источником энергии в почвах является солнечная радиация. Ее поступление в почву определяется радиационным балансом земной поверхности, т.е. разницей между поступившей прямой и рассеянной солнечной радиацией и эффективным излучением Земли, а также тепловым балансом деятельного слоя, в котором происходит преобразование поступившей радиационной энергии в главные тепловые потоки: затраты тепла на испарение влаги (или выделение тепла при ее конденсации), турбулентный теплообмен с атмосферой и теплообмен с более глубокими слоями почвы. Тепловой поток всегда направлен от более теплых к более холодным участкам, а его интенсивность зависит от градиента температур и удельной теплопроводности среды. Изменение температуры почвы под воздействием тепловых потоков определяется ее теплоемкостью. Моделирование температурного поля почв и его географических закономерностей остаются крайне сложной задачей в связи с огромным количеством факторов, влияющих на тепловой баланс поверхности почвы и теплопотоки внутри нее. Надежным способом оценки температурного режима является регулярное измерение температуры почвы на разных глубинах,осуществляемое на метеостанциях и экспериментальных площадках.
Подробный анализ данных метеостанций по температурам воздуха и почв был проведен В.Н. Димо [68], составившей мелкомасштабные карты среднегодовой и среднемесячных температур самого теплого и холодного месяцев, годовой амплитуды температур и суммы среднесуточных биологически активных (>10°C) температур в почвах СССР на глубине 0,2 м. Они отражали географические закономерности распределения температур почвы под травянистой (не лесной!) растительностью на площадках метеостанций и рассматривались автором как карты температурных режимов почв сельскохозяйственного освоения. В Атласе приведены компьютерные модели ряда параметров почвенного климата, построенные по данным многолетних наблюдений за температурой почвы, осуществляемых сетью метеостанций России (Атлас, с. 40–42). Вместе с тем, для оценки температурного режима почв естественных ландшафтов необходим анализ всех факторов, влияющих на преобразование радиационной энергии на поверхности Земли и тепловые потоки в почвах. На основе карт В.Н. Димо в Атласе представлена интегральная оценка температурного режима почв естественных ландшафтов России с учетом различных экологических факторов, необходимых для правильной интерпретации осредненных данных и отраженных на карте в виде значков. Использовались опубликованные данные по температурам почв на экспериментальных площадках в естественных ландшафтах различных регионов и обобщающие работы [22,28, 47, 85, 89, 139, 258 и др.].
Среднегодовая температура почвы на глубине 20 см (Tср) отражена в виде изолиний с интервалом 4° для температур ниже 4°С и 2° для более высоких температур.Очевидна общая тенденция возрастания Tср от северных к южным широтам. Наиболее холодные почвы(–12°С) характерны для зоны Арктических тундр и полярных пустынь в пределах Северной Земли, Новосибирских островов. Отчетлив глубокий прогиб изолиний отрицательных Tср к югу в Средней и Восточной Сибири, отражающий влияние Сибирского антициклона, способствующего длительному зимнему промерзанию почв. Изолированные ареалы с отрицательной Тср выделяются в высокогорьях Кавказа и Алтае-Саянской области. Наиболее высокие значения Тср (12—14°С) наблюдаются в Предкавказье.
Среднегодовая температура является устойчивой термической характеристикой почвы. Влияние экологических факторов на Тср изучено недостаточно и, зачастую,имеет неоднозначный характер. Под темнохвойными лесами с высокой сомкнутостью крон Тср на 1—2°С ниже, чем под луговой растительностью за счет затенения поверхности летом и уменьшения мощности снегового покрова зимой. В мелколиственных лесах, эта разница уменьшается до 0,5—1°С. Широколиственные леса в лесостепной зоне снижают летние температуры и существенно повышают зимние за счет интенсивного снегозадержания, в результате чего Тср под их пологом оказывается на 1—1,5°С выше, чем на открытых пространствах. В светлохвойных листопадных лиственничных лесах с лишайниково-моховым покровом в малоснежных континентальных мерзлотных районах Заенисейской Сибири со спокойным ветровым режимом отепляющее воздействие леса в зимний период незначительно. При ветровом перераспределении снега и его накоплении в лесных массивах оно нарастает и «перекрывает» охлаждающее влияyие лесной растительности летом. Так, Тср почвы под лесными массивами Колымской низменности на 4—5°С выше, чем на тундровых участках. Влияние гранулометрического состава почвы на Тср незначительно. Заболоченные торфяные почвы оказываются более холодными. Влияние вертикальной поясности проявляется в понижении Тср воздуха и почвы с высотой; при резко выраженной инверсионной поясности в континентальных районах Сибири сильное зимнее выхолаживание почв депрессий может оказывать воздействие и на понижение Тср в этих условиях. Влияние экспозиции склонов на повышение Тср в почвах южных склонов наиболее значимо в континентальных районах с большой долей прямой солнечной радиации в радиационном балансе и возрастает от южных к северным широтам. Образование пучинно-бугорковатого и трещинно-полигонального криогенного микрорельефа сопровождается дифференциацией органогенных горизонтов почв с их развитием в лучше увлажненных и защищенных от снежной коррозии межбугорковых западинах. Накопление органического вещества и торфа обусловливает слабое прогревание почв западин летом. Зимой при повышенной температуропроводности мерзлой почвы охлаждение почв микропонижений проходит более интенсивно, однако в районах с перевеванием снега этот эффект затушевывается теплоизолирующей ролью снега, накапливающегося в них. В целом, Тср почв понижений на 1—2°С ниже, чем почв бугорков и межтрещинных полигонов.
Данные о среднегодовой температуре позволяют косвенно судить и о характере процессов промерзания-оттаивания. Промерзание почвы, сопровождающееся фазовым переходом вода-лед, меняет ее теплофизические характеристики и сопровождается развитием разнообразных криогенных процессов. Пребывание почвы в мерзлом состоянии означает существенное замедление всех трансформационных и миграционных процессов. Область сплошного развития устойчивой низкотемпературной мерзлоты находится к северу от Тср, равной –4°С. Положение изолинии Тср, равной 0°С, примерно определяет область распространения несплошной и островной мерзлоты. По характеру промерзания-оттаивания выделяются температурные режимы: (а) мерзлотный (Тср 8 мес.) пребывание почвы в мерзлом состоянии, ее одностороннее (сверху) оттаивание до кровли многолетней мерзлоты и двустороннее (медленное снизу и различное сверху) промерзание (эффект промерзания снизу усиливается в холодных континентальных районах); по глубине оттаивания различают поверхностно-, неглубоко-, средне-, среднеглубоко, глубоко- и сверхглубоко-оттаивающие (25, 50, 100, 150, 250 и > 250 см, соответственно) почвы; (б) длительно-промерзающий (Тср от 0 до 2—4°С, многолетняя мерзлота отсутствует или залегает глубже границы ежегодного промерзания, почва находится в мерзлом состоянии 5—8 мес.); оттаивание двустороннее (сверху и снизу), промерзание одностороннее (сверху) на глубину от 0,5—1 м в подзолах Кольского полуострова до 2—4 м в буро-таежных почвах, подбурах и подзолах Дальнего Востока, дерново-таежных юга Забайкалья, серых лесных и черноземных почвах лесостепи Западной Сибири; (в) промерзающий (Тср 4—8°С, почва находится в мерзлом состоянии 2—5 мес.); оттаивание двустороннее, промерзание одностороннее, медленное на глубину 1,5—2 м в буроземах Дальнего Востока, 1—1,5 м в подзолистых почвах Коми, 0,3—1,0 м в дерновоподзолистых почвах и менее 0,5 м в серых лесных и черноземных почвах Европейской России; (г) кратковременно-промерзающий (Тср 8–12°С, почва находится в мерзлом состоянии 1—2 мес.); характерен для черноземов и каштановых почв Предкавказья с глубиной промерзания до 20—30 см; (д) непромерзающий (отрицательные температуры на глубине 20 см отсутствуют; Тср >10—12°C). Отметим более интенсивное промерзание песчаных почв по сравнению с суглинистыми и глинистыми и влияние зимних температурных инверсий в континентальных областях Сибири на глубину промерзания почв межгорных котловин; в легких щебнистых почвах Забайкалья она может достигать 5—8 м.
Среднемесячная температура почвы на глубине 20 см в самый теплый летний месяц (Тл) — июль в европейской части и июль или август в азиатской части страны.Этот показатель сильно зависит от влияния региональных и местных факторов. Охлаждающее влияние оказывает затенение лесом. В сухих светлохвойных или широколиственных лесах с маломощной подстилкой Тл на 2—4°С ниже, чем под травянистой растительностью; в густых темнохвойных, лиственно-темнохвойных или светлохвойных лесах с кустарничковым ярусом и мощными торфяно-подстилочными горизонтами эта разница возрастает до 6—8°С. Охлаждающую роль леса усиливает многолетняя мерзлота, граница которой летом под лесом на 20–40 см выше, чем на открытом пространстве. В мерзлотнотаежных глеевых и неглеевых почвах под северо- и средне-таежными лиственничными лесами преобладают низкие Тл (
- Параметры температурных режимов почв естественных ландшафтов, масштаб 1:30 000 000
Источник
Температура почв
Большинство сценариев изменения климата основано на анализе температур воздуха. Однако для теоретических и прикладных задач, связанных с оценкой отклика земной поверхности на изменения климата, первостепенное значение имеет температура почв — важнейшая характеристика климатических, почвообразовательных, мерзлотных и инженерно-геологических условий. Она определяет функционирование наземных биогеоценозов, позволяя судить о чувствительности ландшафтов к антропогенному воздействию, изменению природной среды и климатическим флуктуациям. Особый интерес к последнему аспекту диктуется растущим вниманием научной общественности к проблеме глобального потепления.
Гидрометеорологической службой России за более чем столетний период наблюдений собран огромный массив данных о температуре почв на сети метеорологических станций страны. Массовые наблюдения за температурой почв на глубинах начались в СССР в 1930–1950-х гг. В 70–80-х гг. XX в. сеть наблюдений достигла максимального охвата — более 1000 станций с использованием вытяжных термометров, установленных на стандартных глубинах 20, 40, 80, 120, 160, 240 и 320 см. С конца XIX в. основной вариант измерения температуры почв — участок с ненарушенной структурой почвы, сохранением растительного покрова и снежным покровом зимой. Данные наблюдений в обобщенном виде опубликованы в изданиях «Справочник по климату СССР» и «Метеорологический ежемесячник». С использованием этих справочников и машинных носителей Гидрометеорологических архивов, в лаборатории криологии почв Института физикохимических и биологических проблем почвоведения РАН совместно с Всероссийским научно-исследовательским институтом гидрометеорологической информации была создана база данных по температуре почв России и совместно с факультетом почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова составлена серия карт, отражающих основные характеристики температурного режима почв и являющихся продолжением работ В.Н. Димо. При их составлении использованы данные наблюдений по 667 метеостанциям России за период 1961–1990 гг., принимаемый Всемирной метеорологической организацией в качестве климатической нормы теплообеспеченности почв в годовом и сезонном циклах. В дополнение к данным Гидрометеорологической службы для Колымской низменности использовали данные, полученные с площадок для наблюдения по международной программе Циркумполярного мониторинга деятельного слоя (CALM). На Севере России и в горных районах наблюдательная сеть Росгидромета имеет слабую степень покрытия территории, а на полярных станциях из-за их труднодоступности и сложных условий функционирования ряды наблюдений значительно короче: всего несколько лет, в ряде случаев выходящих за период 1961–1990 гг. Параметры карт (среднемноголетние значения) получены расчётным методом на основе данных среднемесячных и среднегодовых температур почвы за отдельные годы. Данные карты представляют собой простые картографические модели, построенные по данным метеостанций. Ввиду мелкого масштаба карт при их составлении не учитывались рельеф местности и ландшафты, влияние морей и других природных факторов на температуру почвы. При анализе карт следует учитывать, что в Сибири и ряде других районов большинство метеостанций расположено вокруг крупных водоемов (озер и водохранилищ) или в долинах крупных рек с их отепляющим эффектом, а также отсутствие метеостанций, ведущих наблюдения за температурой почв в лесных массивах, и их крайне малое число в горных районах.
Одним из показателей, характеризующих температурный режим почв, является среднегодовая температура почвы. При разных амплитудах сезонных температур среднегодовая температура почвы может быть одинаковой, однако она будет тем выше, чем больше в годичном цикле преобладает процесс нагревания почвы, и тем ниже, чем большую роль играет процесс охлаждения.
В пределах территории России среднегодовая температура почвы на глубине 20 см изменяется от –14,5°C на о-ве Голомянный в Карском море до +15,2°C в Дербенте. Из-за отепляющего влияния снежного покрова среднегодовые температуры почвы выше среднегодовых температур воздуха и возрастают с севера на юг и с востока на запад. Выделяются две области — положительных и отрицательных среднегодовых температур на глубине 20 см. Изотерма 0°C проходит по диагонали с северо-запада на юго-восток. Область отрицательных среднегодовых температур на глубине 20 см совпадает с областью сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Наиболее низкие значения среднегодовой температуры почвы отмечаются на островах Северного Ледовитого океана, на п-ове Таймыр и северовостоке Якутии, наиболее высокие характерны для Черноморского побережья Кавказа и Прикаспийской низменности.
Суммы температур выше 10°C в почве на глубине 20 см являются основным показателем её тепловых ресурсов. Они увеличиваются с севера на юг и изменяются на территории России в пределах от 0 до 4800°C.
Продолжительность периода с температурой выше 10°C на глубине 20 см нарастает в направлении с севера на юг. Минимальные значения продолжительности периода с температурой выше 10°C отмечаются в почвах области распространения многолетнемерзлых пород: в почвах арктических пустынь и тундровых почвах продолжительность периода с температурой выше 10°C на глубине 20 см ограничивается 0–2 месяцами, а в мерзлотно-таежных почвах биологически активный период с температурой выше 10°C увеличивается до 2–3 месяцев. В сезоннопромерзающих почвах продолжительность периода с температурой выше 10°C увеличивается до 3–4 месяцев. В почвах степного типа почвообразования продолжительность периода с температурой выше 10°C достигает 4–6 месяцев, а в Предкавказье и на Черноморском побережье Кавказа 6–8 месяцев.
Суммы температур ниже 0°C в почве на глубине 20 см характеризуют накопление холода в почве в период промерзания и нахождения почвы в мерзлом состоянии и принимаются за критерий оценки степени суровости зимних почвенных условий. Наибольшие суммы отрицательных температур отмечаются в почвах области распространения многолетнемерзлых пород на территориях, подверженных охлаждающему влиянию Северного Ледовитого океана. На островах и побережье Северного Ледовитого океана, северовостоке и в центре Якутии суммы температур ниже 0°C в почве составляют от –3000 до –5000°C и ниже. В направлении от побережья океана в глубь азиатского континента суммы отрицательных температур в почве снижаются до –1000 — –1500°C. На европейской территории, в сезоннопромерзающих почвах суммы отрицательных температур составляют –100 — –500°C. На северо-западе страны, в Предкавказье, на Курильских о-вах, юге п-ова Камчатка и о-ва Сахалин, подверженных отепляющему влиянию морей, суммы отрицательных температур в почве на глубине 20 см не превышают –50°C.
Определение глубины проникновения температуры выше 10°C в почву проводили по ежемесячным показаниям термометров путем интерполяции между температурами двух соседних глубин, на одной из которых среднемесячная температура выше, а на другой ниже 10°C. Глубина проникновения температуры выше 10°C в почвах России изменяется от 0 до ниже 320 см. Она увеличивается в направлении с севера на юг и с востока на запад. На территории Восточно-Европейской равнины к югу от Москвы и части территории Приморского края температура выше 10°C проникает в почву на глубину 320 см и ниже. В тундровой зоне глубина проникновения в почву температуры выше 10°C не превышает 20 см, а в зоне арктических пустынь такие температуры не наблюдаются.
Почвы России вне области распространения многолетнемерзлых пород характеризуются сезонным промерзанием. Оно вызвано тем, что в холодное время года почва теряет тепла больше, чем получает. Глубина промерзания почвы зависит от многих факторов: температуры воздуха, снежного и растительного покрова, типа почвы и её гранулометрического состава, влажности почвы, рельефа местности, хозяйственной деятельности человека. Глубина проникновения температуры 0°C в почву больше глубины промерзания почвы. Это различие обусловлено тем, что почвенный раствор в большинстве случаев замерзает при температурах ниже 0°C в зависимости от концентрации солей в почвенном растворе и размеров почвенных капилляров. Определение глубины проникновения температуры 0°C в почву проводили по ежемесячным показаниям термометров путем интерполяции между температурами двух соседних глубин, на одной из которых среднемесячная температура положительна, а на другой отрицательна.
На территории России глубина проникновения температуры 0°C в почву изменяется в пределах от менее 20 до более 320 см. На европейской территории России глубина проникновения температуры 0°C в почву значительно меньше, чем на азиатской территории. Только на юге п-ова Камчатка и о-ва Сахалин и на Курильских о-вах, где к отепляющему влиянию моря добавляется еще и влияние мощного снежного покрова, глубина проникновения температуры 0°C в почву не превышает 80 см.
Для почв в области распространения многолетнемерзлых пород важнейшим параметром является глубина проникновения в них изотермы 0°C при оттаивании летом. Эта величина на карте не показана ввиду недостаточности данных.
Д.А. Гиличинский, О.В. Решоткин, О.И. Худяков, И.О. Алябина, С.С. Быховец, В.А. Сороковиков
- Средняя годовая температура почвы на глубине 20 см, масштаб 1:60 000 000
- Суммы температур выше 10°C в почве на глубине 20 см, масштаб 1:60 000 000
- Продолжительность периода с температурой выше 10°C в почве на глубине 20 см, масштаб 1:60 000 000
- Суммы температур ниже 0°C в почве на глубине 20 см, масштаб 1:60 000 000
Источник