Статья: Организация сети автоматических атмосферно-почвенных климатических станций мониторинга динамики южной границы криолитозоны

ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТИ АВТОМАТИЧЕСКИХ АТМОСФЕРНОПОЧВЕННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ МОНИТОРИНГА ДИНАМИКИ ЮЖНОЙ ГРАНИЦЫ КРИОЛИТОЗОНЫ

Бадмаев Нимажап Баяржапович

доктор биологических наук, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, Бурятский государственный университет

Базаров Александр Владимирович

кандидат технических наук, Институт физического материаловедения СО РАН

Гончиков Бато-Мунко Николаевич

кандидат биологических наук, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН

Тон Санжи-Ханда Аюшеевна

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Бурятский государственный университет

Атмосферно-почвенный измерительный комплекс (АПИК) позволяет проводить непрерывные долговременные автоматические измерения основных метеорологических параметров атмосферы и почвы с глубины 3,2 м до высоты 10 м. Исследованы температурные режимы контрастных ландшафтов в разных типах распространения многолетней мерзлоты Республики Бурятия. Установлены «зеркальные» закономерности процессов протаивания в мерзлотных почвах Витимского плоскогорья и промерзания в сезоннопромерзающих почвах севера Селенгинского среднегорья и Восточного Прибайкалья. Выявлены количественные различия в скорости процессов промерзания и протаивания, продолжительности дней с активными температурами в зависимости от типов почв и зон распространения типов многолетней мерзлоты.

Ключевые слова: атмосферно-почвенный измерительный комплекс, АПИК, изменение климата, типы мерзлоты, температурный режим почв, контроль, промерзание и протаивание почв.

Познание разнообразия почв и природных комплексов -- одна из основных проблем современной науки. Особенно это относится к таким сложно организованным системам, как почва и почвенный покров. Данная проблема обретает еще большую значимость в регионах, где возникают новые связи и соотношения почв со средой, вызванные криогенными процессами. Мерзлотные условия, равно как и литологические и фитоценотические, дальше усложняются при расчлененности рельефа. Именно поэтому на территории Республики Бурятия становится возможным обособление множественной сети экологических ниш с резко контрастными режимами выветривания и почвообразования [Бадмаев, 2008].

Мерзлотные процессы получают наиболее яркое развитие при сплошном распространении многолетней мерзлоты, которая занимает 121,21 тыс. км², или 34,5% всей территории Бурятии [Бадмаев и др., 2011]. В переходной зоне многолетней мерзлоты прерывистого (109,967 тыс. км²) и особенно островного (119,8 тыс. км²) распространения интенсивность мерзлотных процессов существенно ниже.

Обзор литературы по изменению климата и его влияния на мерзлотные процессы в ландшафтах юга Витимского плоскогорья представлен в работах A. Kulikov et al [2009], И. И. Смирновой и др. [2012], N. Badmaev et al [2013] и N. Badmaev et al [2015], в которых по трем временным срезам (1909, 1981 и 2008 гг.) установлена неоднозначная реакция мощности слоя сезонного протаивания почв на глобальное потепление. В последних публикациях показано пространственно - временные закономерности изменения глубины протаивания в Укырской депрессии за ХХ столетие. Максимальное изменение глубины протаивания почв характерно (на 140-170 см) для открытых степных пространств. В гидроморфных днищах осоково-ерниковых болотистых лугов изменения мерзлотно-тепловых условий не фиксируются. В мерзлотно-таежных ландшафтах приводораздельных коренных лиственничников положительный тренд слабо выражен (на 25-30 см).

В настоящей публикации представлены новые данные, которые получены на основе современного атмосферно-почвенного измерительного комплекса (АПИК). Комплекс разработан в Сибирском отделении РАН и используется для контроля пространственно-временной динамики параметров атмосферного и почвенного климата в контрастных ландшафтах на разных типах распространения многолетней мерзлоты Республики Бурятия (рис. 1).

Особенностью комплекса является долговременное автоматическое измерение вертикального профиля температуры и влажности в системе «почва - атмосфера» с глубины 3,2 м до высоты 10 м. Одновременно измеряются климатические параметры в точке измерений: скорость и направление ветра, уровень солнечной радиации, количество жидких осадков и уровень снега, а также провод и- мость почвенной воды. Данные считываются дистанционно через GSM -модем по сотовому каналу связи [Базаров и др., 2016].

Рис 1. Карта распространения разных типов многолетней мерзлоты [Бадмаев и др., 2011] и схема расположения полигонов АПИК

Почвы, описанные на полигонах, отражают наиболее характерные условия почвообразования на изучаемой территории, контрастные по геокриологическим условиям, характеру растительных сообществ, почвенным свойствам (рис. 2).

Анализ полученных на четырех полигонах данных показывает пространственно-временную изменчивость температуры почв от поверхности до глубины 3,2 м. Температурный режим мерзлотных дерново-криометаморфических и мерзлотных черноземов квазиглеевых Витимского плоскогорья относятся к мерзлотному типу, а черноземов квазиглеевых Кижингинской котловины и подбуров оподзоленных Восточного Прибайкалья -- к длительносезоннопромер- зающему типу (рис. 3).

Автономная работа системы обеспечивается использованием солнечной батареи и аккумулятора. Необходимо также сказать о скрытых автоматических температурных профилемерах, размещенных в разных типах распространения многолетней мерзлоты без выхода на поверхность; заряд батареи до подзарядки рассчитан на пять лет, чтение данных через USB-интерфейс. Специальное программное обеспечение объединяет все датчики комплекса в единую систему контроля природной среды.

Для сравнения почвенного климата приводятся данные с осени 2014 г., по температуре и процессам промерзания и протаивания почв на ключевых участках, где установлены АПИК и почвенные регистраторы в зависимости от типов распространения многолетней мерзлоты: сплошной -- центральная часть Витимского плоскогорья (мерзлотные дерново-криометаморфические почвы, полигон «Багдарин»); прерывистой -- юг Витимского плоскогорья (мерзлотные черноземы квазиглеевые, полигон «Еравна»); островной -- север Селенгинского среднегорья (сезонномерзлотные черноземы квазиглеевые, полигон «Кижинга»), Восточного Прибайкалья (сезонномерзлотные подбуры оподзоленные, полигон «Го- рячинск»). Подробная характеристика АПИК, ландшафтов и почв на разных типах многолетней мерзлоты даны ранее [Базаров и др., 2016; Базаров и др., 2017; Бадмаев и др., 2017; Gonchikov et al., 2017].

Процесс промерзания мерзлотных дерново-криометаморфических почв центральной части Витимского плоскогорья начинается в конце сентября -- начале октября, что на 10-15 и 31 день ранее, чем в почвах полигонов «Еравна», «Кижинга» и «Горячинск» соответственно. В мерзлотных типах промерзание заканчивается слиянием в конце октября и в начале ноября со сплошной мерзлотой на глубине 2,0 м в «Багдарине» и на 2,6 м в «Еравне».

Процесс протаивания мерзлотных типов почв начинается с начала апреля -- середины мая. Начало промерзания обычно совпадают с первыми заморозками в октябре месяце. Так заканчивается полный цикл промерзания и протаивания мерзлотных дерново-криометаморфических и мерзлотных черноземов квазиглеевых почв Витимского плоскогорья (рис. 2, 4).

Совершенно другой облик температурного режима наблюдается на черноземах квазиглеевых в «Кижинге» и подбурах оподзоленных Восточного Прибайкалья, в сравнении с почвами Витимского плоскогорья. Эти почвы сезонно промерзают только зимой и до глубины более 2,4 м и 1,6 м соответственно. Процесс протаивания почв на полигоне «Кижинга» начинается в начале апреля, что на 12, 13 и 18 дней раньше, чем на почвах полигонов «Горячинск», «Еравна» и «Багдарин» соответственно (рис. 3, 4).

Количество дней на промерзание мерзлотных дерново-криометаморфических почв по всему профилю в «Багдарине» составило в среднем за два года 25 дней со скоростью промерзания 10,7 см/дн, что на 20, 85 и 92 дня короче, чем в «Еравне», «Горячинске» и «Кижинге», где скорость составила 7,1 см/дн, 1,1 см/дн и 2,1 см/дн соответственно (табл. 1).

Рис. 4. Даты промерзания и протаивания почв на полигонах АПИК

Протаивание по всему профилю происходит быстрее в подбурах оподзоленных и длится 35 дней со скоростью 2,0 см/дн. Это на 70, 83 и 106 дней меньше, чем на полигонах «Багдарин», «Еравна» и «Кижинга», где скорость протаивания составляет 1,5; 2,0 и 1,7 см/дн соответственно. Длительносезоннопромерзающие типы почв за период наблюдений с 2014 г. по сентябрь 2016 г., в мерзлом состоянии находились только 5,5-6 месяцев, оставаясь в подошве породы большую часть года талыми. В мерзлотных же типах почв картина принципиально другая. Здесь мерзлотные почвы сезонно, 4,5-5 месяцев протаивают только летом, оставаясь в подошве (породах) мерзлыми большую часть годового цикла.

Большой интерес вызывает в изученных почвах проникновение положительных температур и их продолжительность на разных глубинах. Сбор, систематизация и анализ этих данных показывают большую неоднородность температурного и мерзлотного режима почв (табл. 2). Для анализа были взяты данные только за 2015 год -- полный календарный год от января по декабрь.

Наибольшие различия выявлены в продолжительности положительных температур больше 0°С на глубине 100 см. Так, в подбурах оподзоленных Восточного Прибайкалья данный показатель составляет 276 дней, что на 85, 147 и 151 день превышают продолжительность температур в почвах полигонов «Кижинга», «Еравна» и «Багдарин» соответственно.

Таблица 1

Продолжительность (дней) и скорость (см) промерзания и протаивания почв

Закономерность проникновения и распределения температуры больше 5°С в этих почвах несколько другая. Различие в поступлении и продолжительности этих температур на глубине 100 см одинаковое в «Кижинге» и «Горячинске» -- 109 и 110 дней, а в мерзлотных типах почв намного меньше: в «Багдарине» оно составляет 33, в «Еравне» -- 88 дней, с увеличением дней вверх по профилю данных почв.

Принципиально другая картина наблюдается в распределении и продолжительности температур выше 10°С. Здесь уже «доминируют» мерзлотные черноземы карбонатные квазиглеевые, в которых продолжительность дней с температурой больше 10°С составляет 94 дня на глубине 20 см, что на 6, 22 и 27 дней больше чем в «Кижинге», «Багдарине» и «Горячинске» соответственно. Такой парадокс, что мерзлотные почвы на этих глубинах теплее, чем сезонномерзлотные черноземы квазиглеевые почвы и подбуры оподзоленные, можно объяснить континентальным климатом Витимского плоскогорья (жарким летом и холодной зимой). Здесь в мае месяце величина коэффициента увлажнения может доходить до 0,1-0,2, что равняется его величине в полупустыне [Бадмаев, 2008] и поэтому перенос тепла в почву проходит достаточно активно, по сравнению с «гумидным» климатом Восточного Прибайкалья. Для этих ландшафтов характерно относительно прохладное лето и мягкая зима, связанные с отепляющим влиянием оз. Байкал. Необходимо также отметить, что температура 10°С до глубины 100 см не доходит.

Таблица 2

Продолжительность положительных температур на разных глубинах в почвах на полигонах АПИК (сентябрь 2014 - октябрь 2016 г.)