CC BY
75
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011 БИОЛОГИЯ Вып. 3-4
ЭКОЛОГИЯ
УДК 631.4
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВ ЛЕСНЫХ И ОТКРЫТЫХ БИОТОПОВ ЗАПОВЕДНИКА «БАСЕГИ»
Л. В. Кулькова, Н. Г. Шавалиева
Заповедник «Басеги», 618276, Пермский край, г. Гремячинск, ул. Ленина, 100; [email protected]; (34250)27404
Представлен анализ данных по температурному режиму лесных (горная тайга) и открытых (подгольцовые луга, горные тундры, верховое болото) биотопов заповедника «Басеги», собранных в вегетационный период 2010 г., необходимый для изучения и оценки лесообразующих условий территории заповедника. Данные свидетельствуют о том, что под пологом сомкнутого хвойного леса средние температуры почвы значительно ниже, чем на открытых биотопах. Главным определяющим фактором влияния древесного яруса на температурный режим почв является общий запас фитомассы и листовой индекс фитоценоза наряду с механическими свойствами почв, их типом, экспозицией склона и т.д.
Ключевые слова: почвы; температура; биотоп; темнохвойный лес; луг; вегетационный период.
Температура почвы - важный фактор ее плодородия, обусловливающий развитие разнообразных взаимосвязей в ландшафте. Именно температура почвы наряду с влажностью оказывает мощное воздействие на основные почвообразующие процессы, накопление биомассы и биологическую продуктивность ландшафта.
Цель работы - выявить динамику почвенных температур за вегетационный период в лесных и открытых биотопах заповедника «Басеги» и оценить влияние древесного полога (по сравнению с открытыми биотопами) на формирование не только теплового режима, но и, по возможности, микроклимата путем анализа данных близких по расположению метеоточек, открытых или лесных, расположенных на разных высотах и склонах различной экспозиции. Лесные биотопы, в которых проводили наблюдения, были представлены темнохвойной тайгой (постоянные фенологические площадки (далее - ПФП) № 1 и 10), открытые биотопы - лугами (ПФП № 3 и метеопост кордона Коростелевка). Кроме того, рассматривались температуры почв таких полуоткрытых и открытых биотопов, как криволесье (ПФП № 4), горная каменистая тундра (ПФП № 7) и верховое болото (ПФП № 11). Схема расположения ПФП, которые использовали в работе, дана на рисунке.
Вегетационный период 2010 г. был сухим и довольно жарким, а предыдущий 2009 г. по своим гидрометеорологическим показателям был близок
к многолетней норме. Особенности погодных условий 2010 г. довольно отчетливо отразились на показателях почвенных температур под пологом леса и на открытых площадках (табл. 1, 2).
Наблюдения за температурой почвы под пологом леса (ПФП № 1) и на открытой площадке (ПФП № 3) в течение теплого вегетационного сезона 2010 г. показали, что она существенно отличается. Наиболее контрастными абсолютными температурами обладают почвы на открытой площадке, где даже в конце мая в результате заморозков температуры на поверхности опускались до -6°С, а на глубине 20 см почва прогрелась до +7°С. Затем с возрастанием интенсивности солнечной инсоляции температуры как на поверхности, так и на глубине неуклонно увеличивались - до +12 ... +14,5°С (8 августа). Несомненно, столь значительное прогревание почвы на ПФП № 3 связано еще и с ее механическим составом: здесь преобладают среднесуглинистые почвы, которые лучше и быстрее прогреваются, нежели почвы глинистые и тяжелосуглинистые (ПФП № 1). Таким образом, тепловые свойства почв зависят не только от поступления солнечной энергии, но и от ее механического состава (Лыков, Коротков, Громакова, 1983).
С другой стороны, в горных лугах и на олуго-вевших полянах заповедника «Басеги» в любой момент вегетационного периода возможны заморозки на почве, что препятствует возобновлению на них подроста чувствительных к заморозкам по-
© Кулькова Л. В., Шавалиева Н. Г., 2011
род хвойных деревьев, в частности, пихты (Шеве- значительному выпадению росы (на 10-15 мм
лев, Турков, 1981). Открытая поверхность сильнее больше, чем в лесу).
охлаждается в ночное время, что способствует
О - постоянные фенологические площадки □ - метеопост Коростелевка
Схема расположения ПФП и метеопоста Коростелевка, где проводились наблюдения за почвенными температурами в 2010 г.
Измерения температуры почвы под пологом что плотная лесная подстилка даже в начале сезо-
сомкнутого хвойного леса (ПФП № 1) показали, на не допускает сильного охлаждения почвы с по-
причине они медленнее отдают тепло с наступлением холодного периода.
верхности. В то же время почвы под лесной подстилкой медленнее прогреваются, потому что имеют тяжелый механический состав. По этой
Таблица 1
Температура почвы под пологом темнохвойного леса и на открытой площадке за летний период 2010 г.
ПФП № 1 (под пологом леса)
Дата ^С Дата ^С
поверхность почвы глубина 20 см поверхность почвы глубина 20 см
27.05.2010 -4.0 7.0 24.05.2010 -6.0 7.0
15.06.2010 -1.5 7.5 14.06.2010 12.0 8.5
20.07.2010 3.0 9.5 16.07.2010 9.5 12.5
08.08.2010 8.5 13.0 08.08.2010 12.0 14.5
19.08.2010 -1.0 11.5 19.08.2010 0.5 10.0
15.09.2010 -7.5 5.5 15.09.2010 0.5 6.5
ПФП № 3 (открытая площадка, луг)
Таблица 2
Температура почвы под пологом темнохвойного леса и на открытой площадке за летний период 2010 г.
ПФП № 10 (под пологом леса)
Дата ^С Дата ^С
поверхность почвы глубина 20 см поверхность почвы глубина 20 см
27.05.2010 -2.5 9.0 27.05.2010 4.0 11.0
27.06.2010 7.5 11.0 27.06.2010 7.4 14.6
30.07.2010 7.0 15.0 30.07.2010 15.5 18.9
12.08.2010 4.5 16.0 12.08.2010 13.6 18.5
18.08.2010 -3.0 10.5 18.08.2010 0.0 11.6
28.09.2010 -1.5 7.5 28.09.2010 -2.9 6.2
Метеопост Коростелевка (открытая площадка, луг)
Большую роль в формировании теплового режима играет экспозиция склона. Открытая луговая ПФП № 3 расположена на склоне юго-западной экспозиции, следовательно, прогревается лучше, чем ПФП № 1, расположенная на западном макросклоне и значительно ниже над у.м. Да и сам лес, имеющий высокую сомкнутость, не способствует значительному прогреванию почвы, т.к. перехватывает часть солнечной радиации.
Аналогичные закономерности выявлены и при сравнении данных, полученных в других подобных биотопах (ПФП № 10 и метеопост Коростелевка, табл. 2). Летняя разница почвенных температур между ними существенна. Так, 27 мая температура на поверхности почвы под пологом хвойного сомкнутого леса (ПФП № 10) была отрицательной (-2,5°С), на открытой площадке - плюсовой (+4°С). Соответственно, на глубине 10 см на метеопосту «Коростелевка» температура на 2°С выше, чем под пологом леса. Данные табл. 2 свидетельствуют, что под пологом леса температура как на поверхности почвы, так и на глубине 10 см практически на протяжении всего вегетативного сезона была значительно ниже, чем на открытой площадке. В среднем разница температур на поверхности почвы сравниваемых биотопов за вегетационный период составила 3,4 единицы, а на глубине 10 см - 1,9 единиц. В отдельные дни (30 июля) температура на поверхности почвы на ПФП
№ 10 была ниже, чем на метеопосту Коростелевка, в 2,2 раза (табл. 2).
Таким образом, в результате наблюдений выявлена существенная разница летних почвенных температур исследованных биотопов, а степень влияния лесного полога на эти показатели однозначна, независимо от местных климатических условий. Под пологом 180-летнего пихтово-елового леса (ПФП № 10) средняя температура почвы значительно ниже и менее контрастна, чем на луговых биотопах. Главным определяющим фактором влияния древесного полога на температурный режим почв является общий запас фитомассы и листовой индекс фитоценоза, что делает микроклиматический эффект древесного полога более выраженным. Наши стационарные наблюдения вполне укладываются в существующее представление о том, что в темнохвойной тайге под лесным пологом формируется свой гидротермический режим почв, отличный от гидротермического режима открытых биотопов (Шевелев, Турков, 1981; Турков, Шевелев, 1981).
По своим погодным условиям 2010 г. характеризовался как теплый и сухой. В течение почти двух месяцев на Басегах и на всем Среднем Урале преобладала антициклональная погода, сопровождающаяся засухой. Циклоны наблюдались лишь в мае и конце августа. В связи с этим представляет интерес динамика почвенных температур в горных
полуоткрытых и открытых биотопах - в криволе- сье и горной тундре (табл. 3).
Таблица 3
Температура почвы на открытых площадках ПФП № 4 и ПФП № 7 за летний период 2010 г.
ПФП № 4 (криволесье) ПФП № 7 (горная тундра)
Дата ^С Дата ^С
поверхность почвы глубина 20 см поверхность почвы глубина 20 см
26.05.2010 -4.5 9.5 26.05.2010 -3.5 9.0
26.06.2010 4.5 9.5 26.06.2010 4.5 9.5
31.07.2010 1.5 14.5 31.07.2010 2.5 15.5
19.08.2010 0.0 10.0 17.08.2010 3.5 7.0
23.09.2010 -5.5 7.0 23.09.2010 -5.0 6.0
ПФП № 7 расположена на 116 м выше ПФП №
4. Кроме того, она полностью открыта, древесный ярус на ней отсутствует, поэтому почва тут прогревается значительно лучше как на поверхности, так и на глубине. Экстремально жаркая погода привела к прогреву ПФП № 4 и ПФП № 7 до 14,5-15,5°С, и даже в конце сентября здесь отмечены плюсовые температуры на глубине 10 см. Это свидетельствует о том, что почвогрунты высокорасположенных биотопов быстрее прогреваются и медленнее охлаждаются, чем почвогрунты подножий гор и депрессий (Коломыц, 1979).
Верховое болото, где заложена ПФП № 11, расположено на высоте 511 м над ур. м., в северозападной части заповедника. Почва здесь болотная верховая торфяно-глеевая тяжелосуглинистая на делювиальных глинах, с избыточным грунтовым увлажнением и редким угнетенным древесным ярусом. Избыточное поверхностное увлажнение сохранялось тут все предыдущие годы наблюдений. Имея тяжелый механический состав, почва на ПФП № 11 задерживает в себе влагу, а влажная почва сильно и глубоко промерзает. Поэтому здесь вплоть до 15 мая температура почвы на поверхности была отрицательная и в дальнейшем в течение лета прогревалась незначительно. Уже в середине августа температура на поверхности почвы снова становится отрицательной, но на глубине 5-15 см до конца сентября сохраняются положительные температуры (до +7°С). Это связано с тяжелым механическим составом болотных почв, плохо отдающих тепло, и их низкой водопроницаемостью.
Стационарные наблюдения, проводившиеся в вегетационный сезон 2010 г. на открытых и лесных ПФП заповедника «Басеги», выявили следующее:
1. Температурный режим почвогрунтов находится в прямой зависимости от местоположения ПФП, типа почвы, ее механического состава, структуры, положения в рельефе, растительного покрова, степени увлажненности.
2. Под пологом сомкнутого темнохвойного леса (ПФП № 1 и ПФП № 10) плотная лесная подстилка, состоящая из хвои и растительных остатков, препятствует сильному охлаждению поверхности почвы.
3. На территории заповедника почвы лесных ПФП имеют преимущественно тяжелосуглинистый механический состав, они медленно прогреваются, но и медленно отдают тепло с наступлением холодов. ПФП, заложенные в полуоткрытых и открытых биотопах, весной во время заморозков нередко имеют поверхностную температуру ниже, чем лесные ПФП. В то же время в течение вегетационного периода они прогреваются гораздо лучше, чем лесные.
4. Почвогрунты биотопов, расположенных более высоко над ур. м., прогреваются быстрее и медленнее охлаждаются, чем почвогрунты подножий гор и депрессий.
5. Избыточное увлажнение почв подножий гор и межгорных депрессий с верховыми болотами оказывает отрицательное влияние на температурный режим, т.к. влага является плохим проводником тепла.
6. Проведенное обследование почв и динамики их температур на разных высотах, от 320 м до 850 м над ур. м., в разных ландшафтных поясах, и уклонах различной амплитуды выявило тенденцию к понижению температуры почв в направлении от литоморфных к сублитоморфным фациям и расположенным ниже - субгидроморфным и гидро-морфным в пределах ступенчатой морфострукту-ры.
7. Подтвердилось положение многих исследователей о том, что под пологом темнохвойной тайги формируется свой гидротермический режим почв, отличный от гидротермического режима открытых биотопов.
8. Наиболее резко градиент температуры и влажности прослеживается на глубине 20 см. Вниз и вверх от этого уровня градиент уменьшается. На Среднем Урале, в т.ч. и на Басегах, 20сантиметровый уровень в горных почвах почти повсеместно соответствует иллювиальному горизонту В, глинистому с примесью щебня.
9. По своим погодным условиям 2010 г. можно считать аномально теплым и сухим. Высокие температуры воздуха в 2010 г., по сравнению с 2009 г., когда было нормальное сочетание антицикло-нальных и циклональных погодных условий, тем более с преобладанием последних, привели к большему прогреву почвы всех типов на всех го-
ризонтах в исследуемых биотопах. Превышение в положительную сторону составило для всех ПФП по всем горизонтам в среднем 3-4°С.
Библиографический список
Коломыц Э.Г. Эколого-географические аспекты изучения горной тайги Среднего Урала // Темнохвойные леса Среднего Урала. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1979. С. 75-79.
Лыков А.А., Коротков Л.А., Громакова Т.Г. Земледелие с почвоведением. М.: Агропромиздат, 1983. С. 78-79.
Турков В.Г., Шевелев Н.Н. К сравнительной характеристике местного климата водораздельного кряжа Среднего Урала // Роль экологических факторов в лесообразовательном процессе на Урале. Свердловск, 1981. С. 41-47.
Шевелев Н.Н., Турков В.Г. Роль древесного полога в формировании микроклимата горных темнохвойных лесов Среднего Урала // Роль экологических факторов в лесообразовательном процессе на Урале. Свердловск, 1981. С. 38-39.
Поступила в редакцию 03.09.2011
The seasonal dynamics of the temperature of soils of forest and open biotopes
of the reserve of "Basegi"
L. V. Kulkova, candidate of agricultural sciences, researcher D. O. Shavalieva, laboratory assistant-researcher
Nature Reserve "Basegi", 100, Lenina str., Gremjachinsk, Perm region, Russia, 618276; [email protected]; (34250)27404
Provides the analysis of the data on the temperature of the forest (mountain taiga) and open (sub-alpine meadows, mountain tundra, marshy area) biotopes of the reserve of "Basegi", assembled in the vegetation period in 2010 required for the study and assessment of the kinds of conditions of the territory of the reserve. The data show that, under the closed canopy of pine forest average soil temperature is much lower, than in open habitats. Heads of foreign determinant of the impact of wood weighting on the temperature regime of soils is-are a common stock of phytomass and the leaf-area index of plant communities along with the mechanical properties of soils, their type, the exposition of the slope, etc.
Key words: soil; temperature; habitat; dark-coniferous forest; meadow; the vegetation period.
Кулькова Лидия Владимировна, кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник
Шавалиева Надежда Григорьевна, лаборант-исследователь ФГБУ «Заповедник «Басеги»
