Изменение запасов мобильного вещества и термический режим природных и антропогенно измененных почв Назаровской лесостепи
И.Б. Воробьева
В статье представлены результаты исследований по изменению содержания и запасов водорастворимых форм кальция, магния, органического и минерального углерода и влаги природных и антропогенно измененных почв, а также изменения температуры естественных почв в разных местоположениях. Актуальность исследования обусловлена необходимостью анализа изменений изучаемых параметров в условиях краткосрочных изменений климата в островной лесостепи Назаровской котловины. В исследованиях были использованы общепринятые методы: ландшафтно-геохимический, сравнительно-аналитический, сравнительно-географический и статистический. Установлено, что запасы влаги в луговоболотной почве максимальны, в почве лугово-черноземной выщелоченной - минимальны, а в черноземе обыкновенном луговатом и его антропогенной модификации - залежи - значения близки, что связно с их положением в рельефе и гидротермическим режимом. Выявлено экспериментальным путем («in situ»), что в черноземе обыкновенном луговатом температурная кривая более крутая, температуры промерзания более низкие, а период с отрицательными температурами более длительный, чем в лугово-болотной почве. Получены новые знания по изменению запасов водорастворимых форм кальция, магния, органического и минерального углерода, содержанию влаги и колебанию климатических параметров (температуры воздуха и сумм осадков). Установлены внутригодовые изменения температуры естественных почв («in situ») островной лесостепи для более полного понимания динамики природных процессов, а также использования полученных результатов в дальнейших исследованиях по изучению островной лесостепи в изменяющемся климате.
Ключевые слова: природные, антропогенно измененные почвы, температура, влажность, запасы водорастворимых веществ, органический и минеральный углерод.
Введение
Территория Средней Сибири в природном плане очень разнообразна. Она включает часть Средне-Сибирского плоскогорья, восточную кромку Западно-Сибирской равнины и северную часть Алтае-Саянской горной области. Лесостепь в Средней Сибири не имеет зонального характера и законы широтной зональности здесь нарушаются. Лесостепные участки представляют собой изолированные «острова» среди тайги. Они занимают обособленные районы, окруженные лесной растительностью. В пределах лесостепных «островов» растительность и почвы, характерные для степей, находятся на террасированных пространствах в долинах современных действующих и древних сухих водотоков. Возвышенные водосборные пространства заняты лесной растительностью.
Фундаментальные исследования о влиянии меняющихся гидроклиматических параметров на развитие и функционирование природных комплексов требуют получения новых знаний в условиях Средней Сибири, а именно, на территории Назаровской лесостепи.
Внутриконтинентальное расположение Назаровской лесостепи, в сочетании с особенностями котловинного рельефа, создают особые микроклиматические условия и многообразие состояний для развития почв и растительных сообществ. Почва является носителем различной информации (о прошлом и настоящем) и, вследствие этого, особое внимание уделяется изучению ее свойств. При исследовании почв кроме общепринятых методик применяется метод анализа водной вытяжки, которая дает представление о содержании в почве водорастворимых веществ и динамике почвенных процессов. Общепризнано использование водной вытяжки для характеристики общих запасов легкорастворимых соединений и мобильных веществ почв, способных при определенных условиях переходить в почвенные растворы.
Установлено, что изменение общеклиматических параметров существенно влияет на состояние почвы (Природа и хозяйство..., 1983; Горбачев, 2014).
Цель исследования - проследить изменения содержания водорастворимых форм элементов (кальция, магния, общей щелочности) и углерода в сопряженном ряду: чернозем обыкновенный луговатый («луг» - III) - его антропогенная модификация («залежь» - IV) - лугово-черноземная выщелоченная («склон» - V) - лугово-болотная карбонатная почва («болото») и чернозем обыкновенный луговатый («луг») с термическим режимом естественных почв - лугово-болотная карбонатная почва («болото» - VI) в условиях изменения гидроклиматических параметров.
Для достижения цели были поставлены задачи: дать анализ динамики климатических параметров территории исследования (для общей характеристики климатических условий района исследований используются показатели метеостанции «Шарыпово»); выявить количественные изменения водорастворимых форм элементов (кальций, магний, углерод минеральный и органический) и содержание влаги во временном; показать изменения запасов водорастворимых веществ и колебания климатических параметров (временные рамки - 1981-1984 гг. и 2010-2014 гг.); обнаружить внутригодовые изменения температуры естественных почв в разных местоположениях.
Предыдущие исследования автора дали многообразный оригинальный материал о состоянии и динамике почв Назаровской лесостепи (Воробьева, 2020; Vorobyeva, 2013). В данной статье рассматриваются изменения запасов водорастворимых форм элементов и углерода в почвах разных местоположений связанные с колебаниями климатических параметров.
Материалы и методы
Район исследования расположен в центральной части Евразии и удален от морей и океанов на несколько тысяч километров. Для центральной части региона, преимущественно равнинной, с островными лесостепями и плодородными почвами, характерны относительно короткое жаркое лето, продолжительная холодная зима, быстрая смена температур. Средняя температура в январе составляет -18°С, а в июле +20 °С. В среднем в год выпадает 316 мм осадков, в основном летом. Снежный покров устанавливается в начале ноября и сходит к концу марта (Общая информация о Красноярском крае, 2013). Континентальный климат и сложный рельеф в совокупности создают множество локальных особенностей и экологических условий почвообразования. Водный и тепловой режимы отличаются значительной контрастностью, и как следствие, растительный и почвенный покров характеризуется большим разнообразием и пестротой. По физико-географическому районированию (Снытко и др., 1987) территория исследования относится к Назаровскому предгорнокотловинному округу Верхнечулымской провинции.
Территория Назаровской котловины интенсивно используется в народном хозяйстве. В советские времена степень использования земель достигала 66-69%, в постсоветские годы многие сельскохозяйственные земли были заброшены. Часть сельскохозяйственных земель оказалась невостребованной, и они стали зарастать, переходя в залежи (Доклад о состоянии..., 2019). Дальнейшее их развитие происходит по восстановительному типу, и они стремятся к своему природному аналогу.
Изучение закономерностей изменения физико-химических свойств почв проводились нашими предшественниками с начала 1980-х годов на ключевых участках с использованием метода сопряженного анализа вещества (Снытко и др., 1987). Первоначальное описание объектов исследования выполнено А.В. Мартыновым (1983), начавшим режимные наблюдения за миграцией вещества на данной территории. Наши исследования осуществлялись на Березовском физикогеографическом стационаре Института географии имени В.Б. Сочавы СО РАН в лесостепных геосистемах Назаровской котловины с 1986 по 2014 гг.
Предметом детальных исследований послужили почвы (рис. 1) фаций: элювиальная локальноаккумулятивная осоково-злаково-разнотравная с черноземом обыкновенным луговатым маломощным тучным среднесуглинистым на карбонатных покровных суглинках (по классификации 1977 года; т. «луг» - III); ее антропогенная модификация - злаково-разнотравная залежь с большим количеством хвоща и подорожника (т. «залежь» - IV); трансэлювиально-аккумулятивная полугидроморфная разнотравно-луговая закустаренная с лугово-черноземной выщелоченной мощной намытой среднесуглинистой почвой на карбонатных покровных суглинках (т. «склон» - V) и трансаккумулятивная гидроаккумулятивная высокоразнотравно-осоковая закачкаренная закустаренная с лугово-болотной иловатой карбонатной слоистой почвой (т. «болото» - VI; Снытко и др., 1987).
Используемые методы: ландшафтно-геохимический метод позволяет проводить комплексное изучение компонентов ландшафтов в сопряженном ряду, с ним пересекаются сравнительноаналитический и сравнительно-географический, первый используется для изучения почвы с поверхности и на всю глубину со сравнением вещественного состава, что позволяет выявить изменения, возникшие в результате почвообразования, превращение веществ, их передвижение; второй - сравнение различных компонентов ландшафтов и показать их особенности, наиболее характерные, а потому наиболее существенные черты; статистический метод дает возможность получить некоторые показатели расчетным путем, коэффициенты корреляции. Пробы почв отбирались с помощью бура в трехкратной повторности с глубин 0-5, 5-10 и далее через каждые 10 см до 50 см, затем высушивались до воздушно сухого состояния и исследовались по общеустановленным методикам (Аринушкина, 1970). Температура почвы измерялась с использованием термометра-щупа АМ-6 через 5 см до глубины 20 см. Содержание органического углерода определялось методом Тюрина после высушивания при 80 оС аликвоты вытяжки. Углерод бикарбонатной щелочности и от растворимых карбонатов переводился в Смин. умножением на условные коэффициенты 0.197 и 0.2 соответственно.
Рис. 1. Местоположение объектов исследований. Условные обозначения: 1 - Шарыповский район, ключевой участок «Отножка», 2 - схема ландшафтно-геохимического профиля.
Наблюдения проводились в конце июля - начале августа перед пиком поступления в почву опада, когда органические вещества почв стабилизировались в среднем, характерном для данной почвы значении. Пробы почв отбирались ежегодно в середине вегетационного периода (в июле), на одних и тех же участках. За период наблюдений было отобрано и проанализировано более 200 образцов почв. Запасы элементов рассчитывались с учетом плотности каждого слоя на единицу площади. Проводились наблюдения за параметрами экологического состояния почвы (температурой и влажностью) в различные по гидроклиматическим условиям годы. Влажность почвы определялась весовым методом. Для записи температуры почвы на глубине 20 см в течение года применялись измерители температуры «ТЕРМОХРОН». Регистрация температуры проводилась каждые 3 часа с погрешностью ± 0.5°С в течение года (2009 VII-2010 VII). Как правило, в научных исследованиях, используются температурные данные ближайшей метеостанции. Датчики температуры были установлены «in situ» на выровненном участке луговой степи в черноземе обыкновенном луговатом (т. луг - III) и лугово-болотной иловатой карбонатной слоистой почве (т. болото - VI), в июле 2009, показания сняты в июле 2010 г. (55° 37.163' с.ш., 89° 11.714' в.д.). Отбор почвенных образцов, химический анализ и все расчеты проведены автором.
Для описания климатических условий района исследований были использованы данные температуры воздуха и суммы осадков метеостанции «Шарыпово» (55° 31.30' с.ш., 89° 12.00' в.д.), расположенной в 9 км к юго-западу от ключевых точек.
Результаты и обсуждение
При анализе динамики климатических параметров за период 1987-2018 гг. выявлено, что сумма осадков за год в большинстве случаев, близка к норме (444 мм), но могут быть колебания как в сторону увеличения (до 668 мм в 1996 г.), так и уменьшения (до 276 мм в 1989 г.; рис.2).
Обнаружено, что годовая сумма осадков показывает небольшое незначимое увеличение. Среднегодовая температура воздуха была отрицательной в 1996, 2009 и 2010 гг., а наибольшие значения были выявлены в 1995, 2002, 2007, 2015 и 2017 гг. (свыше 3.0°С при норме 0.9°С). Современной климатической нормой метеоэлементов считаются средние величины, рассчитанные за промежуток времени 1961-1990 гг., который был утверждён Всемирной Метеорологической Организацией (Что такое климатическая норма?, 2016).
За время наблюдений обнаружено несколько циклов изменений величины среднегодовой температуры воздуха и количества осадков, но все они возвращаются через некоторое время к «исходной» позиции - на начало цикла.
Рис. 2. Многолетняя динамика среднегодовой и среднеиюльской температуры воздуха (а) и среднегодовых и среднеиюльских суммарных осадков (б) по данным метеостанции Шарыпово.
Вегетационные сезоны в 1986-2018 гг. различались между собой, так в середине летнего периода (июль) холодно (на 1.5-2.0°С ниже нормы, норма для июля - 17.8 °С) было в: 1988, 1997, 2001, 2002, 2003, 2004, 2010, 2011 и 2018 гг. и июльских осадков выше нормы было в: 1987, 1988, 1990, 1993, 1996, 2001, 2002, 2004-2006, 2010, 2014-2016 и 2018 гг. - 1.5-2.5 нормы (норма для июля - 75 мм). Обнаружено, что 1988, 2001, 2002, 2004, 2010 и 2018 гг. были экстремальными - с большим количеством влаги и низкими температурами, что отразилось на низком содержании водорастворимых форм углерода. При повышении влажности почв восстановительные условия содействуют формированию подвижных форм органического вещества и его миграции за пределы почвенного профиля. В теплые годы, с повышенной температурой и малым количеством осадков (1986, 1999, 1998, 1999, 2005, 2007 гг.), вследствие дефицита влаги происходит концентрирование в почве водорастворимых соединений.
Выявлено, что за время наблюдений были годы как с большим количеством осадков и низким температурным фоном, так и с жаркими и сухими условиями, что проявилось в общих чертах: повышение среднемноголетних температур воздуха более чем 1°С - особенно в зимний и осенний периоды, и понижение - в летнее время (июль). Установлено увеличение сумм осадков, особенно в весенне-летние периоды (Географические исследования Сибири, 2007). И, как результат, проявилась единая тенденция увеличения среднегодовой температуры и сумм осадков. По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (2019), глобальное потепление уже достигло доиндустриального уровня и это служит причиной негативных последствий для экосистем и людей.