Глава 4. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ПОЧВ

Процессы превращения органического вещества протекают в почве с разной интенсивностью в зависимости от гидротермических условий, свойственных гой или иной территории. Как уже отмечалось, климат Мурманской области характеризуется рядом специфических особенностей, которые обусловливают своеобразие гидротермического режима почв и определяют интенсивность почвообразовательных процессов.

В центральной части Кольского полуострова, где проводились режимные наблюдения, климат отличается большей континентально- стью, чем на побережьях. Средняя годовая температура здесь составляет -0.4 °С, сумма осадков за год 400 мм. Теплое время года (месяцы с положительной средней месячной температурой) продолжается с мая по сентябрь. Средняя температура этого периода составляет .9.2 °С, количество осадков 233 мм. Средняя температура холодного периода (с октября по апрель) равна -7.4 °С.

В этот период выпадает 167 мм осадков. Таким образом, климат района, где проводились исследования, характеризуется непродолжительным прохладным летом и многоснежной сравнительно мягкой зимой.

Наблюдения за динамикой почвенных процессов велись в течение 1959-1979 гг. Многолетняя изменчивость годовых сумм осадков (рис. 20) характеризуется достаточно выраженной цикличностью с периодом колебаний примерно 3 0 лет (по данным скользящих пятилетних средних). Указанный период исследований приходится на ту часть многолетних колебаний, которая характеризуется повышенным увлажнением. Изменение средних годовых показателей температуры воздуха также подвержено многолетней цикличности, но период дичность более частая - примерно 12-15 лет, и она выражена менее отчетливо, чем периодичность изменения годовых количеств осадков. Период наблюдений по изменению средних годовых температур воздуха достаточно четко разделяется на две части. Первая (по 1970 г.), за исключением первых трех лет исследований, характеризуется, судя по пятилетним скользящим данным, пониженными температурами.

Рис. 20. Анализ изменчивости метеорологических показателей по данным метеостанции „Хибины*.

1 - средняя многолетняя сумма осадков, 2 - средняя многолетняя годовая температура воздуха, 3 - годовые суммы осадков, 4 - средние годовые температуры воздуха, 5 - скользящие пятилетние средние.

Для интерпретации результатов режимных наблюдений важно учитывать метеорологические условия в течение вегетационного периода, когда почвенные процессы протекают наиболее интенсивно. В разные годы наблюдений метеорологические показатели значительно различались. Среднемесячные температуры воздуха и суммы осадков дают представление об условиях, в которых протекают биохимические процессы превращения органических веществ и азота в почвах (табл. 29).

Июнь является первым летним месяцем, когда происходит оттаивание почвы и условия становятся благоприятными для развития микроорганизмов и растений. Средняя многолетняя температура воздуха в этом месяце составляет 9.8 °С, но в разные годы она колеблется от 7.2 до 13 °С. В отдельные годы (например, 1959, 1965) она мало отличалась, а в 1968 и 1980 г. даже превышала температуру в июле, который по средним многолетним данным является самым теплым месяцем (13.8 °С). Еще большей амплитудой в многолетнем цикле отличается температура июля, которая менялась от 9.8 °С в 1962 и 1975 гг. до 19.3 °С в 1960 г.

В другие месяцы вегетационного периода также наблюдалась существенная вариабельность средних температур воздуха. Если сопоставить средние данные за вегетационный период (с июня по сентябрь), то можно следующим образом оценить изменчивость этого показателя по числу лет с отклонениями от среднего многолетнего:

Число лет с отклонением, %

выше нормы ниже нормы

Количество осадков в значительно большей степени изменялось по годам:

Число лег с отклонением, % выше нормы ниже нормы

Следовательно, в разные годы сочетания тепла и влаги в почвах из-за существенных различий в температурах воздуха и количестве выпавших осадков были неодинаковыми.

Гидротермический режим почв складывается под влиянием климатических факторов, определяющих сезонную динамику температуры и влажности почвы, а также зависит от типа почв, наличия и характера растительности, периодичности и интенсивности обработок пахотных почв. Как показало систематическое изучение гидротермического режима целинных и окультуренных торфяных и подзолистых почв, на их гидротермический режим существенно влияет окультуривание (Переверзев, 1962, 1963; Левина, 1969; Семко, Сергеев, 1974; Семко, 1976, 1977, 1980). Об этом можно судить на основании данных, полученных А.П. Семко (1982) при изучении изменения температуры почв на разных угодьях в годовом цикле. Наблюдения проводились на 4 стационарных площадках:

1) в сосняке брусничном на подзолистой песчаной почве; 2) под многолетними травами на такой же почве; 3) на слабоосушенном болоте под естественной растительностью; 4) на хорошо осушенном болоте под многолетними травами. На рис. 21 изоплегами обозначены следующие температуры почвы: -2 °С, О, 5 и 10 °С.

В подзолистой почве под лесом максимальная глубина проникновения отрицательных температур колеблется в разные годы от 40 до 100 см. Интенсивность промерзания почвы зависит от температуры воздуха в холодное время года и от высоты снежного покрова. Максимальная глубина промерзания в марте-апреле. В разные годы в зависимости от суровости зимнего периода глубина промерзания была неодинаковой.

В окультуренной подзолистой почве амплитуда колебания температур в годичном цикле значительно большая, чем в целинной. Это выражается прежде всего в том, что глубины промерзания зимой и проникновения активных температур (более 10 °С) летом в окультуренной почве в течение всех лет большие, чем в целинной. Кроме того, на участке с многолетними травами отмечаются более низкие температуры почвы (ниже -2 °С) в зимнее время, в то время как под лесной рестительностью такая температура в верхней части почвенного профиля бывает не во все годы и распространяется на меньшую глубину. Летом пахотный слой окультуренной почвы сильнее прогревается, чем верхние слои целинной почвы. Так, на глубине 5-10 см в почве под многолетними травами температура может достигать в отдельные годы 20 °С, в то время как в целинной почве такие температуры не отмечаются. Следовательно, окуль-

Рис. 21. Термоизоплеты почв и температуры воздуха.

Почвы: А - подзолистая целинная; Б - та же, окультуренная под многолетними травами; В - торфяная целинная; Г - га же, окультуренная под многолетними травами.

гуренные подзолистые почвы в отличие от целинных характеризуются более контрастным температурным режимом, с большей амплитудой колебания летних и зимних температур в пределах почвенного профиля.

Окультуривание торфяных почв приводит также к заметным изменениям их температурного режима. В целинных почвах глубина промерзания небольшая и колеблется в разные годы от 10 до 20 см. Более глубокому промерзанию целинных торфяных почв препятствует их большая обводненность и высокий снежный покров.

В осушенных почвах отрицательные температуры проникают на значительно большую глубину: в отдельные зимы с наиболее низкими температурами воздуха и сравнительно неглубоким снежным покровом они могут промерзать до 75 см (зима 1971-1972 гг.). Обычная же глубина промерзания окультуренной почвы составляет около 40 см.

Интенсивность прогревания торфяных почв в целинном и окультуренном вариантах в летний период была примерно одинаковой. Можно лишь отметить несколько более глубокое проникновение активных (более 10 °С) температур в первом из них. Как на пашне, гак и на целине в почвенной толще до глубины 160 см в зимнее время температура находится в интервале от О до 5 °С, а в летнее - от 5 до 10 °С. В самых верхних слоях почвы отмечаются более значительные колебания температуры.

Если сравнить температурный режим минеральных и торфяных почв, то можно заметить, что в зимнее время в первых из них отрицательные температуры проникают на большую глубину, а в летнее время они прогреваются более интенсивно. Таким образом, торфяные почвы, особенно окультуренные, характеризуются менее благоприятным температурным режимом в период активной вегетации растений и наиболее интенсивного протекания биохимических процессов.

Водный режим почв складывается под влиянием совокупности факторов, в частности количества осадков, интенсивности испарения, наличия и характера растительности, а в окультуренных почвах еще и под влиянием интенсивности обработок и их периодичности. Для водного режима мелиорированных торфяных почв большое значение имеют норма осушения и эффективность работы осушительной сети.

При окультуривании подзолистых почв происходит значительное изменение режима влажности (Семко, 1982). В результате удаления лесной подстилки, которая играет роль аккумулятора и регулятора влаги в почве, а также под влиянием культурной растительности, особенно многолетних трав, потребляющих много влаги на транспирацию, происходит заметное иссушение корнеобитаемого слоя почвы, наиболее заметное в периоды с недостаточным количеством атмосферных осадков. В целинных почвах значительное снижение влажности в летнее время отмечается только в наиболее засушливые годы.

Наблюдения за режимом влажности целинных и осушенных торфяных почв показали (Переверзев, 1962, 1963; Семко, 1976), что при освоении торфяных почв происходит коренное изменение их водного режима и водно-физических свойств. Только после осушения и окультуривания в почве создаются условия аэрации, необходимые для развития растений. Окультуренные торфяные почвы Кольского полуострова отличаются незначительной сезонной изменчивостью влажности почвы, которая поддерживается на уровне объем, доли 50-70% благодаря довольно высокому уровню грунтовых вод, большому количеству осадков и слабому испарению. Только в экстремально сухие годы динамика влажности проявляется отчетливо как в окультуренных, так и в целинных почвах.

Систематические наблюдения за режимом влажности в разные по метеорологическим условиям годы позволяют выявить особенности водного режима почв в зависимости от гидротермических условий вегетационных периодов. Влажность подзолистой песчаной почвы под многолетними травами (рис. 22) изменяется в течение вегетационного периода под влиянием метеорологических условий и интенсивного потребления влаги растениями. Общей чертой водного режима подзолистой окультуренной почвы под многолетними травами является отсутствие ее сквозного промачивания в летнее время. Однако длительность периода, когда гравитационная влага не проходит сквозь толщу почвы, в разные годы неодинакова. В относительно сухие годы (1972 и 1973) даже весной в верхней части профиля (с глубины 20-30 см) влажность была ниже наименьшей влагоемкости (НВ). С середины июля (а в 1973 г. - с конца июня) почвенная толща имела влажность меньше НВ. В 1972 г. сквозное промачивание вновь наступило в конце сентября после выпадания обильных осадков, а в 1973 г. и до конца наблюдений в этом году влажность почвы была ниже НВ. Отсутствие сквозного промачивания в осеннее время может наблюдаться и в годы не с экстремальными метеорологическими условиями. Так, в 1976 и 1979 гг. влажность почвы в сентябре была также ниже НВ, кроме самого верхнего слоя, где наблюдалось обратное. В более увлажненные годы (1974, 1975 и 1977) осенью, гак же как и весной, наблюдалось сквозное промачивание, г.е. влажность в это время превышала НВ.

В годы с недостаточным количеством осадков в течение вегетационного периода в пахотном слое может наблюдаться дефицит влаги. Этому способствует также большой расход ее на транспирацию, что характерно для посевов многолетних трав при их хорошем развитии. В засушливом 1973 г. был отмечен период (в конце июля-начале августа), когда влажность почвы в верхнем слое была ниже влажности завядания (ВЗ). В другие годы такого явления не наблюдалось, но благодаря интенсивной транспирации влаги растениями в отдельные периоды с недостаточным количеством осадков почва характеризовалась низкой влагообеспеченностью и растения страдали от недостатка влаги.

В годы с влажным вегетационным периодом возможно наступление кратковременного переувлажнения верхнего горизонта почвы, когда влажность превышает НВ. Такое явление наблюдалось в 1974 г. после выпадения большого количества осадков в конце июля-начале августа. В середине вегетационного периода (июль- август) влажность почвы находилась в интервале НВ-ВЗ.

О характере водного режима в течение вегетационного периода можно судить также по данным лизиметрических наблюдений, проведенных нами в 1974 и 1975 гг. Насыпные лизиметры имели площадь 1 м^ и глубину 0.5 м. Лизиметрические воды учитывались по мере их поступления в приемники. Количество лизиметрических вод, проходящих через полуметровую толщу почвы, зависело от метеорологических условий и характера растительности (табл. 30).

Весной, сразу после оттаивания почвы, происходит ее интенсивное промывание талыми водами. В мае и июне наблюдается сквозное промачивание как занятой растительностью почвы, так и находящейся под паром. В июле во всех вариантах лизиметрические воды не поступали, только в 1974 г. в варианте без растений они были обнаружены в незначительном количестве (3 мм). В августе 1974 г. в связи с интенсивным выпадением осадков, как уже отмечалось, почва была достаточно увлажнена, и в варианте без растений началось сквозное промачивание ее полуметровой толщи.

В вариантах с растениями интенсивное поступление лизиметрических вод началось в сентябре 1974 г. и в октябре 1975 г.

Суммарное количество лизиметрических вод, прошедшее через почвенную толщу за год, составляет 150-200 мм в вариантах без растений и 4 0-90 мм в вариантах с растениями. Если сопоставить эти данные с годовым количеством выпавших осадков (с ноября 1974 по октябрь 1975 г.), то окажется, что через почву с растениями проходит в среднем до 12% осадков, а через почву, которая в течение вегетационного периода остается без растений - до 20-30%. Следовательно, растения вдвое снижают объем вод, фильтрующихся через почвенную толщу.

Динамика влажности торфяной почвы в обычные по метеорологическим условиям годы выражена сравнительно слабо (рис. 23).

Так, в 1974, 1977 и 1978 гг. колебания влажности верхней части профиля (до 40 см) находились в пределах объем, доли 5 0- 70% и лишь в отдельные непродолжительные периоды были ниже 50%. В засушливые годы, особенно в 1973, влажность верхнего слоя в течение длительного периода была ниже 50%, а в конце июля-начале августа даже ниже 3 0%. Такая влажность, по расчетам А.П. Семко (1977), соответствует примерно 35% от полной влагоемкости (ПВ), что значительно ниже оптимального для многолетних трав уровня (Лебедевич, 1954). Следовательно, недостаточно благоприятные условия увлажнения складываются в торфяной почве только в годы с экстремальными метеорологическими условиями, когда в течение длительного периода незначительное количество или полное отсутствие осадков сочетается с высокими тем-

Количество лизиметрических вод (мм), проходящих через полуметровую толщу подзолистой почвы по месяцам вегетационного периода

пературами воздуха. Такие условия наблюдались в 1973 г., с чем было связано заметное иссушение корнеобитаемого слоя почвы.

В избыточно влажные годы (например, 1975) влажность почвы на протяжении всего вегетационного периода превышала 70% от объема, что соответствует примерно 80% от ПВ. Только в самом верхнем слое (до 10 см) влажность во второй половине вегетационного периода была несколько ниже (объем, доля 50-70%). В этом году грунтовые воды длительное время находились на высоком уровне (менее 40 см от поверхности почвы), в то время как в остальные годы они в начале июля опускались ниже 80 см. В целом можно отметить, что торфяные почвы обладают более устойчивым по сравнению с минеральными водным режимом. Дефицит влаги в них может возникать только при крайне неблагоприятных сочетание ях высоких температур с отсутствием осадков. В песчаных же подзолистых почвах даже при сравнительно непродолжительных (1.5-,

2 нед.) засухах может пересыхать корне обитаемый слой почвы.

Лизиметрические исследования, проведенные с использованием торфяной почвы, показали, что значительная часть осадков проходит через ее полуметровую толщу (табл. 31).

Почва без растений пропускает в течение года до 26% рсадков, тогда как почва под посевом многолетних трав - значительно меньше. Наибольшее количество лизиметрических вод поступало в приемники весной, после схода снега. В июле 1974 г. и в августе 1975 г. промачивания не было, а осенью оно вновь возобновилось, причем в почве без растений почти с той же интенсивностью, что и весной, а в почве под костром - значительно менее интенсивно. Благодаря большой транспирации многолетними травами почва теряет большое количество влаги в летнее время, поэтому осенью, когда в паровой почве происходит интенсивное промачивание, почва

Рис. 23. Влажность осушенной торфяной почвы под многолетними травами (% от объема почвы). 1 - lt;3 0, 2 - 30-50, 3 - 50-70, 4 - gt;70; 5 - грунтовые воды.

Количество лизиметрических вод (мм), проходящих через полуметровую толщу торфяной почвы по месяцам вегетационного периода

под многолетними травами пропускает через себя незначительное количество осадков.

Таким образом, гидротермический режим почв зависит от типа почв и характера их использования, наличия растительности, метеорологических условий в зимнее время (мощность снежного покрова, глубина промерзания почвы) и в течение вегетационного периода (количество осадков, температура воздуха). Наличие древесной растительности и достаточно мощного слоя лесной подстилки является причиной менее контрастной сезонной динамики температуры и влажности целинных подзолистых почв по сравнению с окультуренными, которые характеризуются большей глубиной промерзания и прогревания. Осушение торфяных почв также вызывает резкое изменение их гидротермического режима, причем наряду с положительным влиянием - улучшением водно-воздушных свойств - при этом происходят и отрицательные явления, в частности увеличение длительности и глубины промерзания. Все эти изменения в гидротермическом режиме, происходящие под влиянием освоения и окультуривания почв, обусловливают различия в интенсивности протекания биохимических процессов трансформации органического вещества и азота.