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

Иллюстрации:

• 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