ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ ВЕРХОВОГО БОЛОТА БАКЧАРСКОГО БОЛОТНОГО МАССИВА
|
Введение 3
1 Температурный режим почв 7
1.1 Тепловые свойства почв 10
1.2 Производство наблюдений на метеорологической станции 12
1.3 Тепловые свойства торфяных почв 15
1.4 Измерения температурного режима торфяных почв 17
1.5 Сезонно-мерзлый слой 21
2 Материалы и методы исследования 23
2.1 Характеристика территории исследования 23
2.2 Описание модельной площадки 26
2.3 Производство наблюдений на модельной площадке, использованные
данные 31
2.4 Методика обработки экспериментальных данных наблюдений 33
3 Статистические характеристики температуры торфяной почвы на разных
глубинах 37
3.1 Восстановление отсутствующих данных по температуре почвы и воздуха 37
3.2 Особенности температурного режима торфяной залежи 41
3.3 Температурные градиенты 47
3.4 Даты перехода температуры почвы через +10 °С. Биологически активный
период 51
3.5 Сезонно-мерзлый слой 52
Заключение 59
Список использованной литературы 63
Приложение А Максимальная и минимальная средняя суточная температура торфяной почвы 67
1 Температурный режим почв 7
1.1 Тепловые свойства почв 10
1.2 Производство наблюдений на метеорологической станции 12
1.3 Тепловые свойства торфяных почв 15
1.4 Измерения температурного режима торфяных почв 17
1.5 Сезонно-мерзлый слой 21
2 Материалы и методы исследования 23
2.1 Характеристика территории исследования 23
2.2 Описание модельной площадки 26
2.3 Производство наблюдений на модельной площадке, использованные
данные 31
2.4 Методика обработки экспериментальных данных наблюдений 33
3 Статистические характеристики температуры торфяной почвы на разных
глубинах 37
3.1 Восстановление отсутствующих данных по температуре почвы и воздуха 37
3.2 Особенности температурного режима торфяной залежи 41
3.3 Температурные градиенты 47
3.4 Даты перехода температуры почвы через +10 °С. Биологически активный
период 51
3.5 Сезонно-мерзлый слой 52
Заключение 59
Список использованной литературы 63
Приложение А Максимальная и минимальная средняя суточная температура торфяной почвы 67
Тепловой режим торфяных и минеральных почв существенно различаются. Торфяная залежь представляет собой сложную органоминеральную систему, обладающую специфическими свойствами: высокой обводненностью и пористостью, содержанием большого количества малоразложившегося органического вещества (Романов, 1961).
Температура почвы воздействует на рост наземной растительности (мхи, кустарники и др.) и формирование микроклимата, является ключевым фактором, контролирующим многие биотические и абиотические процессы, протекающие в торфяных и минеральных почвах: разложение и минерализацию органического вещества почв, эмиссию парниковых газов (СО2, CH4, N2O), выделение растворенного органического углерода (Головацкая, 2008).
Почвы являются одним из главных источников СО2, СН4 и N2O, увеличивающаяся атмосферная концентрация которых относится к числу наиболее широко обсуждаемых, но пока недостаточно изученных причин климатических изменений (Семенов, 2004).
Изучение температурного режима торфяных почв на фоне современного глобального потепления, наблюдающегося на всей территории Росси с 1976 по 2012 г., является актуальной задачей (Второй оценочный доклад Росгидромета..., 2014).
Болота - уникальные природные ландшафты, участвующие в регулировании газового состава атмосферы, водного баланса биосферы, биологического разнообразия на Земле.
Торфяные болота являются наиболее значимым на суше долговременным накопителем атмосферного углерода. Они влияют на потоки углекислого газа, метана и закиси азота. Изменение климата существенно изменяет эти функции, что дополнительно усиливается воздействием человека. Деградация торфяных болот - постоянно растущий фактор усиления выбросов парниковых газов в атмосферу.
В Западной Сибири расположены основные мировые запасы торфа (и углерода). По разным оценкам болотные экосистемы Западной Сибири содержат до 70 млрд. тонн углерода (IPCC, 2014). Столь значительный резервуар углерода в результате изменения климата или антропогенного воздействия потенциально может частично перейти в атмосферу в виде CO2 или CH4 и внести значительный вклад в углеродный баланс атмосферы.
В последние десятилетия число болотных наблюдательных станций и постов на территории России значительно сократилось: с 8 до 3 станций и с 28 до 1 поста (Бутаев, 2011). Это сокращение привело к отсутствию постоянно пополняющегося массива данных, в том числе и по температуре болотных почв. В связи с этим возобновление таких наблюдений путем установки приборов автоматического мониторинга позволяет отслеживать изменения температуры болотных почв как отдельно, так и в комплексе с другими гидрометеорологическими характеристиками.
Исследования микроклиматических особенностей болотных экосистем являются весьма актуальными и необходимыми при проведении комплексных исследований болотных экосистем Западной Сибири. Оценка непосредственного воздействия заболоченных территорий на региональный климат позволит корректно интерпретировать существующие сценарии климатических изменений на следующие столетия. Выявление закономерностей функционирования болотных экосистем при различных климатических условиях и их изменении создает основу для надежной оценки состояния растительности и разнонаправленных потоков углерода. Полученные результаты имеют важное мировое значение для выявления роли обширных заболоченных территорий Западной Сибири не только в глобальном круговороте углерода, но и в формировании регионального и глобального климата.
Цель работы:
Изучение особенностей температурного режима верхового болота, на примере основных болотных экосистем представленных пятью типами: высокий рям, низкий рям, открытая топь, гряда и мочажина на грядово-мочажнном комплексе.
Задачи:
1. Подобрать и применить метод восстановления данных при наличии ограниченного числа предикторов (температура воздуха, температура торфяной залежи).
2. Сформировать электронный массив данных с учетом восстановленных данных.
3. Оценить физико-климатические отличия площадок и их влияние на температурный режим почв.
4. Определить особенности внутригодовых и межгодовых изменений температуры, а также особенностей прогрева нижних слоев торфяной залежи с использованием средних суточных и средних месячных данных.
5. Проанализировать особенности формирования и деградации сезонно-мерзлого слоя.
Объект исследования. Площадкой исследования послужил участок верхового Бакчарского болота, на котором были выделены пять площадок соответствующих основным олиготрофным болотным экосистемам: высокий и низкий рям, открытая топь, гряда и мочажина на грядово-мочажинном комплексе.
Материалы и методика исследования. В период с 1 апреля 2011 по 30 апреля 2016 гг. проводились экспериментальные наблюдения за температурой торфяной залежи на глубинах от 0 до 320 см и за температурой воздуха на высоте 2 м.
В качестве прибора использовался атмосферно-почвенный измерительный комплекс (Кураков, 2012), который производил измерение температуры с шагом 15 минут.
Также в работе используются ранее полученные данные о физико-климатических характеристиках торфяных залежей (Головацкая, 2012) и о высоте снежного покрова, полученные с ближайшей метеостанции «Бакчар» (Всероссийский..., 2016).
Для проведения исследования использовались пакеты программ Excel, Paint, включающие в себя стандартные методы обработки рядов наблюдений на основе математической статистики и графических методов.
Научная новизна работы «Температурный режим торфяных почв верхового болота Бакчарского болотного массива» заключается в том, что впервые при помощи круглогодичного пятилетнего мониторинга были определены и оценены особенности температурного режима торфяных залежей пяти основных олиготрофных комплексов. Полученные результаты дают представления о температурном режиме, не только на конкретных экспериментальных площадках, но и во всех типичных системах в пределах Южной Тайги Западной Сибири.
Было проведено сравнение двух простых моделей для восстановления температуры, которое показало, что обе модели позволяют восстанавливать данные по температуре почвы с небольшими ошибками. Одна из моделей (модель Ньютона), предложенная зарубежными авторами, показала очень хорошие результаты, что позволяет нам говорить о возможности ее применения, в том числе и в болотных системах Южной Тайги. Однако, в случае сбоев в работе основного оборудования, для более качественного восстановления данных необходима установка дополнительных датчиков температуры на поверхности почвы.
Практическая значимость работы. Полученная совокупность результатов исследования может быть использована для корректной оценки пространственного распределения температуры почвы и потоков тепла в грунт, для создания и верификации разного рода моделей: тепло-массо переноса, потоков углерода в болотных экосистемах, климатических и метеорологических моделей разного масштаба. Материалы исследования также могут использоваться при комплексных гидрометеорологических и геологических изысканиях, при картографирование болот.
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы составляет 67 страниц, включая 24 рисунка, 5 таблиц и 1 приложение на 2 страницах. Список использованных источников состоит из 44 наименований, в том числе 2 иностранных.
Во введении обосновывается выбор темы, его актуальность, обозначается цель и задачи, объект и предмет, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассматриваются научные основы и теоретические аспекты изучения температурного режима почв.
Во второй главе представлены исходные материалы, описывается методика исследования и обосновывается выбор территории.
В третьей главе представлены результаты исследований температурного режима торфяных почв на экспериментальных площадках.
В заключении подведены итоги исследования.
Температура почвы воздействует на рост наземной растительности (мхи, кустарники и др.) и формирование микроклимата, является ключевым фактором, контролирующим многие биотические и абиотические процессы, протекающие в торфяных и минеральных почвах: разложение и минерализацию органического вещества почв, эмиссию парниковых газов (СО2, CH4, N2O), выделение растворенного органического углерода (Головацкая, 2008).
Почвы являются одним из главных источников СО2, СН4 и N2O, увеличивающаяся атмосферная концентрация которых относится к числу наиболее широко обсуждаемых, но пока недостаточно изученных причин климатических изменений (Семенов, 2004).
Изучение температурного режима торфяных почв на фоне современного глобального потепления, наблюдающегося на всей территории Росси с 1976 по 2012 г., является актуальной задачей (Второй оценочный доклад Росгидромета..., 2014).
Болота - уникальные природные ландшафты, участвующие в регулировании газового состава атмосферы, водного баланса биосферы, биологического разнообразия на Земле.
Торфяные болота являются наиболее значимым на суше долговременным накопителем атмосферного углерода. Они влияют на потоки углекислого газа, метана и закиси азота. Изменение климата существенно изменяет эти функции, что дополнительно усиливается воздействием человека. Деградация торфяных болот - постоянно растущий фактор усиления выбросов парниковых газов в атмосферу.
В Западной Сибири расположены основные мировые запасы торфа (и углерода). По разным оценкам болотные экосистемы Западной Сибири содержат до 70 млрд. тонн углерода (IPCC, 2014). Столь значительный резервуар углерода в результате изменения климата или антропогенного воздействия потенциально может частично перейти в атмосферу в виде CO2 или CH4 и внести значительный вклад в углеродный баланс атмосферы.
В последние десятилетия число болотных наблюдательных станций и постов на территории России значительно сократилось: с 8 до 3 станций и с 28 до 1 поста (Бутаев, 2011). Это сокращение привело к отсутствию постоянно пополняющегося массива данных, в том числе и по температуре болотных почв. В связи с этим возобновление таких наблюдений путем установки приборов автоматического мониторинга позволяет отслеживать изменения температуры болотных почв как отдельно, так и в комплексе с другими гидрометеорологическими характеристиками.
Исследования микроклиматических особенностей болотных экосистем являются весьма актуальными и необходимыми при проведении комплексных исследований болотных экосистем Западной Сибири. Оценка непосредственного воздействия заболоченных территорий на региональный климат позволит корректно интерпретировать существующие сценарии климатических изменений на следующие столетия. Выявление закономерностей функционирования болотных экосистем при различных климатических условиях и их изменении создает основу для надежной оценки состояния растительности и разнонаправленных потоков углерода. Полученные результаты имеют важное мировое значение для выявления роли обширных заболоченных территорий Западной Сибири не только в глобальном круговороте углерода, но и в формировании регионального и глобального климата.
Цель работы:
Изучение особенностей температурного режима верхового болота, на примере основных болотных экосистем представленных пятью типами: высокий рям, низкий рям, открытая топь, гряда и мочажина на грядово-мочажнном комплексе.
Задачи:
1. Подобрать и применить метод восстановления данных при наличии ограниченного числа предикторов (температура воздуха, температура торфяной залежи).
2. Сформировать электронный массив данных с учетом восстановленных данных.
3. Оценить физико-климатические отличия площадок и их влияние на температурный режим почв.
4. Определить особенности внутригодовых и межгодовых изменений температуры, а также особенностей прогрева нижних слоев торфяной залежи с использованием средних суточных и средних месячных данных.
5. Проанализировать особенности формирования и деградации сезонно-мерзлого слоя.
Объект исследования. Площадкой исследования послужил участок верхового Бакчарского болота, на котором были выделены пять площадок соответствующих основным олиготрофным болотным экосистемам: высокий и низкий рям, открытая топь, гряда и мочажина на грядово-мочажинном комплексе.
Материалы и методика исследования. В период с 1 апреля 2011 по 30 апреля 2016 гг. проводились экспериментальные наблюдения за температурой торфяной залежи на глубинах от 0 до 320 см и за температурой воздуха на высоте 2 м.
В качестве прибора использовался атмосферно-почвенный измерительный комплекс (Кураков, 2012), который производил измерение температуры с шагом 15 минут.
Также в работе используются ранее полученные данные о физико-климатических характеристиках торфяных залежей (Головацкая, 2012) и о высоте снежного покрова, полученные с ближайшей метеостанции «Бакчар» (Всероссийский..., 2016).
Для проведения исследования использовались пакеты программ Excel, Paint, включающие в себя стандартные методы обработки рядов наблюдений на основе математической статистики и графических методов.
Научная новизна работы «Температурный режим торфяных почв верхового болота Бакчарского болотного массива» заключается в том, что впервые при помощи круглогодичного пятилетнего мониторинга были определены и оценены особенности температурного режима торфяных залежей пяти основных олиготрофных комплексов. Полученные результаты дают представления о температурном режиме, не только на конкретных экспериментальных площадках, но и во всех типичных системах в пределах Южной Тайги Западной Сибири.
Было проведено сравнение двух простых моделей для восстановления температуры, которое показало, что обе модели позволяют восстанавливать данные по температуре почвы с небольшими ошибками. Одна из моделей (модель Ньютона), предложенная зарубежными авторами, показала очень хорошие результаты, что позволяет нам говорить о возможности ее применения, в том числе и в болотных системах Южной Тайги. Однако, в случае сбоев в работе основного оборудования, для более качественного восстановления данных необходима установка дополнительных датчиков температуры на поверхности почвы.
Практическая значимость работы. Полученная совокупность результатов исследования может быть использована для корректной оценки пространственного распределения температуры почвы и потоков тепла в грунт, для создания и верификации разного рода моделей: тепло-массо переноса, потоков углерода в болотных экосистемах, климатических и метеорологических моделей разного масштаба. Материалы исследования также могут использоваться при комплексных гидрометеорологических и геологических изысканиях, при картографирование болот.
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы составляет 67 страниц, включая 24 рисунка, 5 таблиц и 1 приложение на 2 страницах. Список использованных источников состоит из 44 наименований, в том числе 2 иностранных.
Во введении обосновывается выбор темы, его актуальность, обозначается цель и задачи, объект и предмет, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассматриваются научные основы и теоретические аспекты изучения температурного режима почв.
Во второй главе представлены исходные материалы, описывается методика исследования и обосновывается выбор территории.
В третьей главе представлены результаты исследований температурного режима торфяных почв на экспериментальных площадках.
В заключении подведены итоги исследования.
Результаты проведенных наблюдений за температурным режимом торфяной почвы олиготрофного болота позволили выявить основные сходства и различия между экспериментальными площадками. Пять наблюдательных площадок (гряда и мочажина на грядово-мочажинном комплексе, высокий и низкий рям, открытая топь) были разделены их на две группы: облесенные и открытые. В первую очередь отличающим признаком стал уровень болотных вод на площадках, различия в котором сильно сказываются на различиях в температурном режиме между площадками.
За период наблюдений с 1 апреля 2011 г. по 30 апреля 2016 г. было установлено, что площадки с невысоким уровнем болотных вод в теплый период холоднее площадок с высоким уровнем болотных вод. Такие различия в температурном режиме проявляются как при анализе годового хода температуры торфяной почвы за пятилетний период, так и при анализе средних суточных значений. Так, например, максимальная температура в июле на поверхности торфяной почвы на мочажине и открытой топи 18,1 и 17,4 °С соответственно; в низком ряме, высоком ряме и на гряде - 17,3, 14,1 и 17,7 °С
соответственно. Различия прослеживаются и на глубинах. Так до 60 см наблюдаются различия в годовом ходе между площадками внутри одной группы, которые превышают 1 °С. Глубже 60 см различия между площадками одной группы уменьшаются и редко превышают 1 °С, например, в июле температура почвы на глубине 120 см на мочажине и открытой топи - 8,1 и 8,5 °С соответственно, в низком ряме, высоком ряме и на гряде - 3,9, 4,2 и 7,2 °С соответственно.
Вместе с уровнем болотных вод большое влияние на температурный режим площадок оказывает растительный покров. Его влияние хорошо прослеживается в оба периода - теплый и холодный. Летом густая растительность дополнительно поглощает солнечную радиацию и уменьшает нагрев площадок, зимой способствует задерживанию снега при выветривании.
Так как торфяная залежь реализует в себе принцип инерционности, то, при распространении температурной волны от поверхности вглубь залежи, возникает некоторое запаздывание максимума температуры. Количество дней такого запаздывания зависит от площадки и конкретных характеристик года, таких как: уровень болотных вод, теплообеспеченность года, различия в растительном покрове и др. При этом запаздывание температурной волны в слое 0-15 см почти отсутствует. В отдельных случаях максимальная температура в слое 0-5 см может быть зафиксирована на несколько дней позже, чем в нижележащем слое. Наибольший разброс в запаздывании максимума наблюдается на глубинах 20-80 см и изменяется от 0 до 50 дней. С увеличением глубины происходит замедление распространения тепловой волны, и в итоге на глубине 240 см максимум наступит через 100 дней. С увеличением глубины уменьшается и сама максимальная температура. Так, на поверхности она составляет в среднем 24-27 °С, а на глубине 240 см - 5-8°С.
Наибольшие колебания градиента температуры наблюдаются в слое от 0 до 2 см, так как он находится на границе двух сред - воздух-почва.
Значения колеблются от -2 °С/см в феврале 2012 г. до 1,1 °С/см в октябре 2014 г. на открытых площадках, и от -1,1 °С/см в октябре 2012 г. до 0,8 °С/см в июле 2012 года на облесенных площадках.
Рассмотрен градиент средней месячной температуры почвы в июле и феврале. Месяцы были выбраны как представители теплого и холодного периодов.
В теплый период наибольшие колебания температуры почвы наблюдаются в слое 2-60 см. В июле градиенты изменяются в пределах от 0,05 °С/см на открытых площадках (открытая топь, мочажина на ГМК) до 0,33-0,36 °С/см на облесенных площадках (высокий и низкий рям). С ростом глубины происходит уменьшение значений градиента, величина которого на всех площадках за весь период наблюдений не превышает 0,1 °С/см. В холодный период наибольшие значения температурных градиентов в почве наблюдаются в слое 2-40 см. В феврале они составляют -0,01 °С/см на открытых площадках (открытая топь, мочажина на ГМК), -0,15.. .-0,21 °С/см на облесенных площадках (гряда на ГМК, высокий и низкий рям). Также, как и в теплый период с ростом глубины происходит уменьшение значений температурного градиента, который в слое 40-240 см не превышает -0,04 °С/см.
Летом в глубинных слоях (>80 см) градиенты на топи и мочажине выше, чем в рямах, то есть поток тепла вглубь тут больше, а теплообмен интенсивнее.
Глубина, до которой прослеживается активный биологический период, изменятся от 60 см на облесенных площадках (высокий и низкий рям, гряда) до 120 см на открытых площадках (мочажина и открытая топь). Продолжительность активного биологического периода меньше теплого 2-3 раза. На открытых площадках в среднем на глубинах от 0 до 80 см она составляет 100-120 дней, глубже (до 120 см) - 70-80 дней. На облесенных на глубинах от поверхности до 40 см 80-90 дней, глубже (до 60 см) - 50-60 дней.
Переход температуры торфяной залежи через +10 °С к более высоким температурам наблюдается преимущественно в мае-июне на глубинах от поверхности до 80 см на открытых площадках, глубже 80 см в июле. Конец биологически активного периода на этих площадках преимущественно наблюдается в сентябре и в начале октября на глубинах 0-80, и глубже 80 см в октябре. На облесенных площадках биологически активный период короче и наблюдается с июня по сентябрь на глубинах 0-40 см, глубже 40 см с июля по конец августа - начало сентября.
Формирование слоя с температурой выше 10 °С в торфяной залежи позволяет выделить активный биологически период. Глубина, до которой прослеживается активный биологический период, изменятся от 60 см на облесенных площадках (высокий и низкий рям, гряда) до 120 см на открытых площадках (мочажина и открытая топь). На открытых площадках в среднем на глубинах от 0 до 80 см она составляет 100-120 дней, глубже (до 120 см) - 70-80 дней. На облесенных на глубинах от поверхности до 40 см 80-90 дней, глубже (до 60 см) - 50-60 дней.
Переход температуры торфяной залежи через +10 °С к более высоким температурам наблюдается преимущественно в мае-июне на глубинах от поверхности до 80 см на открытых площадках, глубже 80 см в июле. Конец биологически активного периода на этих площадках преимущественно наблюдается в сентябре и в начале октября на глубинах 0-80, и глубже 80 см в октябре. На облесенных площадках биологически активный период короче и наблюдается с июня по сентябрь на глубинах 0-40 см, глубже 40 см с июля по конец августа - начало сентября.
Различия между датами перехода температуры на границе воздух-почва через 0 °С в сторону отрицательных температур на площадках составляют в среднем несколько дней. Так в 2011 г. дата устойчивого перехода через 0 °С была зафиксирована 7 ноября на гряде, мочажине и открытой топи, и 8 ноября в низком и высоком ряме. В 2014 г. в низком ряме 15 октября, в высоком ряме, на мочажине и открытой топи 18 октября.
Во время начало формирования сезонно-мерзлого слоя его начальная глубина различается для открытых и облесенных площадок. Для открытых площадок начальная толщина сезонно-мерзлого слоя составляет в среднем 5 см, затем скорость промерзания уменьшается. В то время, как для облесенных площадок толщина начального слоя составляет в среднем 2 см.
С увеличением глубины дата перехода через 0 °С смещается, и на глубинах 40-60 см формирование сезонно-мерзлого слоя начинается в феврале-марте. В этот же период достигается максимальная глубина промерзания торфяной залежи. Однако продолжительность существования сезонно-мерзлого слоя ниже 40 см не велика, и в среднем составляет 80 дней для всех площадок.
Промерзание торфяной почвы от подстилающей поверхности до максимальной глубины в среднем проходит со скоростью 0,2-0,3 см/сут. Максимальная зафиксированная скорость промерзания составляла 0,51 см/сут и наблюдалась в 2012 году на высоком ряме.
При этом скорость промерзания в слое от поверхности до 20 см составляет в среднем 0,6-0,7 см/сут, что больше, чем в слое от 20 см до максимальной глубины сезонно-мерзлого слоя в среднем на 0,4 см/сут. При этом максимальная скорость промерзания может быть больше в 2-3 раза. Например, в 2011 г. на гряде она достигала 1,43 см/сут, а в 2015 г. в высоком ряме 1,67 см/сут.
Деградация сезонно-мерзлого слоя начинается как сверху, так и снизу. Этому способствует незамерзающая относительно теплая торфяная толща, которая находится ниже сезонно-мерзлого слоя. Так как в середине-конце зимы высота снежного покрова является значительной, то влияние отрицательных температур воздуха на поддержание низких температур сезонно-мерзлого слоя ослабевает и начинается процесс оттаивания торфяной толщи снизу.
В разные годы на экспериментальных площадках период с устойчивым сезонно-мерзлым слоем наблюдался как на глубинах от 2-5 см до 30-35 см, так и от 5-10 см до 30¬35 см. В этот период скорость протаивания сверху изменяется от 1-5 см/сут до 30¬35 см/сут. Помимо увеличения скорости протаивания сверху, также незначительно увеличивается скорость протаивания снизу.
За период наблюдений с 1 апреля 2011 г. по 30 апреля 2016 г. было установлено, что площадки с невысоким уровнем болотных вод в теплый период холоднее площадок с высоким уровнем болотных вод. Такие различия в температурном режиме проявляются как при анализе годового хода температуры торфяной почвы за пятилетний период, так и при анализе средних суточных значений. Так, например, максимальная температура в июле на поверхности торфяной почвы на мочажине и открытой топи 18,1 и 17,4 °С соответственно; в низком ряме, высоком ряме и на гряде - 17,3, 14,1 и 17,7 °С
соответственно. Различия прослеживаются и на глубинах. Так до 60 см наблюдаются различия в годовом ходе между площадками внутри одной группы, которые превышают 1 °С. Глубже 60 см различия между площадками одной группы уменьшаются и редко превышают 1 °С, например, в июле температура почвы на глубине 120 см на мочажине и открытой топи - 8,1 и 8,5 °С соответственно, в низком ряме, высоком ряме и на гряде - 3,9, 4,2 и 7,2 °С соответственно.
Вместе с уровнем болотных вод большое влияние на температурный режим площадок оказывает растительный покров. Его влияние хорошо прослеживается в оба периода - теплый и холодный. Летом густая растительность дополнительно поглощает солнечную радиацию и уменьшает нагрев площадок, зимой способствует задерживанию снега при выветривании.
Так как торфяная залежь реализует в себе принцип инерционности, то, при распространении температурной волны от поверхности вглубь залежи, возникает некоторое запаздывание максимума температуры. Количество дней такого запаздывания зависит от площадки и конкретных характеристик года, таких как: уровень болотных вод, теплообеспеченность года, различия в растительном покрове и др. При этом запаздывание температурной волны в слое 0-15 см почти отсутствует. В отдельных случаях максимальная температура в слое 0-5 см может быть зафиксирована на несколько дней позже, чем в нижележащем слое. Наибольший разброс в запаздывании максимума наблюдается на глубинах 20-80 см и изменяется от 0 до 50 дней. С увеличением глубины происходит замедление распространения тепловой волны, и в итоге на глубине 240 см максимум наступит через 100 дней. С увеличением глубины уменьшается и сама максимальная температура. Так, на поверхности она составляет в среднем 24-27 °С, а на глубине 240 см - 5-8°С.
Наибольшие колебания градиента температуры наблюдаются в слое от 0 до 2 см, так как он находится на границе двух сред - воздух-почва.
Значения колеблются от -2 °С/см в феврале 2012 г. до 1,1 °С/см в октябре 2014 г. на открытых площадках, и от -1,1 °С/см в октябре 2012 г. до 0,8 °С/см в июле 2012 года на облесенных площадках.
Рассмотрен градиент средней месячной температуры почвы в июле и феврале. Месяцы были выбраны как представители теплого и холодного периодов.
В теплый период наибольшие колебания температуры почвы наблюдаются в слое 2-60 см. В июле градиенты изменяются в пределах от 0,05 °С/см на открытых площадках (открытая топь, мочажина на ГМК) до 0,33-0,36 °С/см на облесенных площадках (высокий и низкий рям). С ростом глубины происходит уменьшение значений градиента, величина которого на всех площадках за весь период наблюдений не превышает 0,1 °С/см. В холодный период наибольшие значения температурных градиентов в почве наблюдаются в слое 2-40 см. В феврале они составляют -0,01 °С/см на открытых площадках (открытая топь, мочажина на ГМК), -0,15.. .-0,21 °С/см на облесенных площадках (гряда на ГМК, высокий и низкий рям). Также, как и в теплый период с ростом глубины происходит уменьшение значений температурного градиента, который в слое 40-240 см не превышает -0,04 °С/см.
Летом в глубинных слоях (>80 см) градиенты на топи и мочажине выше, чем в рямах, то есть поток тепла вглубь тут больше, а теплообмен интенсивнее.
Глубина, до которой прослеживается активный биологический период, изменятся от 60 см на облесенных площадках (высокий и низкий рям, гряда) до 120 см на открытых площадках (мочажина и открытая топь). Продолжительность активного биологического периода меньше теплого 2-3 раза. На открытых площадках в среднем на глубинах от 0 до 80 см она составляет 100-120 дней, глубже (до 120 см) - 70-80 дней. На облесенных на глубинах от поверхности до 40 см 80-90 дней, глубже (до 60 см) - 50-60 дней.
Переход температуры торфяной залежи через +10 °С к более высоким температурам наблюдается преимущественно в мае-июне на глубинах от поверхности до 80 см на открытых площадках, глубже 80 см в июле. Конец биологически активного периода на этих площадках преимущественно наблюдается в сентябре и в начале октября на глубинах 0-80, и глубже 80 см в октябре. На облесенных площадках биологически активный период короче и наблюдается с июня по сентябрь на глубинах 0-40 см, глубже 40 см с июля по конец августа - начало сентября.
Формирование слоя с температурой выше 10 °С в торфяной залежи позволяет выделить активный биологически период. Глубина, до которой прослеживается активный биологический период, изменятся от 60 см на облесенных площадках (высокий и низкий рям, гряда) до 120 см на открытых площадках (мочажина и открытая топь). На открытых площадках в среднем на глубинах от 0 до 80 см она составляет 100-120 дней, глубже (до 120 см) - 70-80 дней. На облесенных на глубинах от поверхности до 40 см 80-90 дней, глубже (до 60 см) - 50-60 дней.
Переход температуры торфяной залежи через +10 °С к более высоким температурам наблюдается преимущественно в мае-июне на глубинах от поверхности до 80 см на открытых площадках, глубже 80 см в июле. Конец биологически активного периода на этих площадках преимущественно наблюдается в сентябре и в начале октября на глубинах 0-80, и глубже 80 см в октябре. На облесенных площадках биологически активный период короче и наблюдается с июня по сентябрь на глубинах 0-40 см, глубже 40 см с июля по конец августа - начало сентября.
Различия между датами перехода температуры на границе воздух-почва через 0 °С в сторону отрицательных температур на площадках составляют в среднем несколько дней. Так в 2011 г. дата устойчивого перехода через 0 °С была зафиксирована 7 ноября на гряде, мочажине и открытой топи, и 8 ноября в низком и высоком ряме. В 2014 г. в низком ряме 15 октября, в высоком ряме, на мочажине и открытой топи 18 октября.
Во время начало формирования сезонно-мерзлого слоя его начальная глубина различается для открытых и облесенных площадок. Для открытых площадок начальная толщина сезонно-мерзлого слоя составляет в среднем 5 см, затем скорость промерзания уменьшается. В то время, как для облесенных площадок толщина начального слоя составляет в среднем 2 см.
С увеличением глубины дата перехода через 0 °С смещается, и на глубинах 40-60 см формирование сезонно-мерзлого слоя начинается в феврале-марте. В этот же период достигается максимальная глубина промерзания торфяной залежи. Однако продолжительность существования сезонно-мерзлого слоя ниже 40 см не велика, и в среднем составляет 80 дней для всех площадок.
Промерзание торфяной почвы от подстилающей поверхности до максимальной глубины в среднем проходит со скоростью 0,2-0,3 см/сут. Максимальная зафиксированная скорость промерзания составляла 0,51 см/сут и наблюдалась в 2012 году на высоком ряме.
При этом скорость промерзания в слое от поверхности до 20 см составляет в среднем 0,6-0,7 см/сут, что больше, чем в слое от 20 см до максимальной глубины сезонно-мерзлого слоя в среднем на 0,4 см/сут. При этом максимальная скорость промерзания может быть больше в 2-3 раза. Например, в 2011 г. на гряде она достигала 1,43 см/сут, а в 2015 г. в высоком ряме 1,67 см/сут.
Деградация сезонно-мерзлого слоя начинается как сверху, так и снизу. Этому способствует незамерзающая относительно теплая торфяная толща, которая находится ниже сезонно-мерзлого слоя. Так как в середине-конце зимы высота снежного покрова является значительной, то влияние отрицательных температур воздуха на поддержание низких температур сезонно-мерзлого слоя ослабевает и начинается процесс оттаивания торфяной толщи снизу.
В разные годы на экспериментальных площадках период с устойчивым сезонно-мерзлым слоем наблюдался как на глубинах от 2-5 см до 30-35 см, так и от 5-10 см до 30¬35 см. В этот период скорость протаивания сверху изменяется от 1-5 см/сут до 30¬35 см/сут. Помимо увеличения скорости протаивания сверху, также незначительно увеличивается скорость протаивания снизу.
