природные процессы и динамика геосистем =
УДК 6314
влияние синузий мохообразных на деятельный слой арктических почв*
© 2013 г. А.А тишков, н.и. осокин, A.B. сосновский
Институт географии РАН Поступила в редакцию 20.08.2011 г.
В статье представлены материалы экспериментальных исследований теплофизических свойств мохообразных и показано их воздействие на деятельный слой почв арктических тундр Западного Шпицбергена. Полученные характеристики мохового покрова позволяют рассчитать его термическое сопротивление при разной влажности в холодный и теплый периоды года. Применение полученных зависимостей дает возможность более точно прогнозировать влияние климатических изменений на термическое состояние многолетнемерзлых грунтов и их деградацию, а также прогнозировать сезонный ход протаивания деятельного слоя почво-грунтов, покрытых моховыми синузиями, определяя возможности формирования разных по времени существования криогенных элементов нанорельефа арктической тундры.
Введение. Следствие потепления климата -деградация многолетнемерзлых пород (ММП), которой сопутствует комплекс отрицательных явлений. Оттаивание многолетнемерзлых пород, занимающих до 65% площади страны, уже сейчас приводит к снижению несущей способности свайных фундаментов. По прогнозам [6] к 2050 г. ожидаются региональные изменения температуры приповерхностного слоя многолетней мерзлоты на 1-2 градуса и увеличение глубины сезонного протаивания до 10-20 (Северная Скандинавия и Кольский полуостров) - 25-50 см (Якутия, Чукотка). К середине XXI в. масштабы разрушений фундаментов, строений, инфраструктуры в зоне распространения многолетней мерзлоты могут стать катастрофическими - до четверти жилых домов в ряде северных городов могут подвергнуться угрозе разрушения [16]. В Западной Сибири ежегодно происходит около 7 тыс. аварий нефте- и газопроводов, связанных с потерей устойчивости фундаментов и деформацией опор.
Для оценки влияния потепления климата на ММП необходимо учитывать наличие мохового покрова и его теплоизолирующие свойства. В теплый период года моховой покров выступает передаточной средой между нижними слоями атмосферы
* Статья подготовлена по результатам исследований по проекту Минобрнауки России "Каскадный эффект" последствий климатических изменений в горных и полярных регионах России: сравнительно-географический анализ, обоснование мер по адаптации (2012-2013 гг., Соглашение № 8337).
и подстилающей породой и влияет на термический режим и динамику протаивания ММП.
Синузии, слагающие моховой покров, отличается большим видовым разнообразием. Причем разные виды мохообразных обладают разной мощностью и теплофизическими свойствами. Важным параметром, определяющим в значительной степени изменчивость термического сопротивления мохового покрова, является его влажность - отношение веса воды к весу сухого мха. В холодный период года вода в моховом слое замерзает, что может значительно увеличить коэффициент теплопроводности мохового покрова и понизить его теплоизолирующие свойства.
Для определения теплофизических свойств мохового покрова были проведены экспериментальные исследования. Их целью являлось как исследование влияния мохового покрова на температурный режим грунта, так и определение теплофизических параметров некоторых видов мохообразных, наиболее распространенных на Западном Шпицбергене.
Исследования проводились на участке пологого склона аккумулятивной террасы Грён-фьорда в окрестностях п. Баренцбург. Растительность представлена арктической пятнисто-бугорковатой тундрой ассоциации Luzulo confusae - Salicetum polaris Hadac. Пятна вытянуты вдоль склона, щебнистые. Межпятенные пространства (от нескольких десятков см до 1-2 м имеют в составе грунтов обломочный материал и покрыты мохо-
вым слоем. Ярус сосудистых растений разрежен. Хорошо выражен лишайниково-моховый ярус (покрытие до 75%). Его основу составляют мощные (3-8 см) разновидовые моховые синузии, составленные Hylocomium splendens, Aulacomnium turgidum, Sanionia uncinata, Dicranum elongatum, Racomitrium canescens. Минеральные субстраты старых пятен местами покрыты Gymnomitrion corralioides. На всех участках присутствуют лишайники - Clado-nia amaurocraea, Stereocaulon alpinum, Sphaeropho-rus fragilis. Сосудистые растения (Salix polaris, Luzula confusa, Draba alpina, Cochlearia groen-landica, Pedicularis hirsuta, Bistorta vivipara, Cerastium alpinum и др.) распространены относительно равномерно, но наибольшего покрытия достигают на участках мелкозема с лишайниково-печеночниковой синузией (G. corralioides). Местами отмечаются проявления солифлюкции и крио-турбации в виде свежих пятен минерального грунта и изливов на поверхности старых пятен [12].
Влияние мохового покрова на термический режим почв и грунтов. Обзор и результаты исследований по влиянию мохового покрова на температурный режим грунтов и протаивание почв дан в работах [7, 10, 11, 13-15]. Они показали существенное влияние мохового покрова на дифференцированный в пространстве и во времени термический режим почв и грунтов, а также на формирование сезонных и долгоживущих форм нанорельефа. Эти исследования подтверждаются и данными наших исследований первичных сукцессий растительности о. Западный Шпицберген (Норвегия) [12].
Измерения, проведенные в окрестностях поселка Баренцбург (на террасах Грен-фьорда), дали температуру грунта под моховым покровом толщиной 8 см на 4 С ниже, чем в его отсутствие (рис. 1). Глубина протаивания многолетнемерзло-го грунта под моховым покровом толщиной 8 см составила 0.98 см. На соседнем участке без мохового покрова температура грунта на этой глубине была 4 С при глубине протаивания 1.9 м.
При этом глубина проникновения суточных колебаний температуры воздуха в грунт составляла под моховым покровом 0.1 м, тогда как в отсутствие мохового покрова эта величина составляла 0.3 м. Измерения показали градиент температуры во мху толщиной 4 см, равный 37 град/м, что было в 8 раз больше, чем в грунте. Скорость таяния грунта в конце июля - начале августа при уровне мерзлоты на глубине 0.7...1.0 м составляет около 1 см в сутки. При моховом покрове толщиной 7.8 см эта скорость в 3 раза ниже.
Температура грунта под моховым покровом толщиной 4 см в среднем на 1 С ниже, чем в его отсутствие (кривые 1 и 2 на рис. 2). При понижении температуры воздуха на 2 С температура
0-1 s 0.2« 0.4 § 0.6-1 Ч> 0.8-С 11.2-
0
1о"
—i 15
Температура, °С
рис. 1. Изменение температуры почво-грунта арктической тундры: 1 - под моховым покровом мощностью 8 см; 2 - без мохового покрова.
о* 0.2л
§ 0.4-ю
£ 0.6-Uh
0.8
8 9 10 11 Температура, °С
12
рис. 2. Изменение температуры почво-грунта арктической тундры: 1 - под моховым покровом мощностью 4 см; 2 - без мохового покрова.
Он
0.2- 1,
Я 0.4« g 0.6-ю Во* 1- /
а' ''' , 4
1.2- i i
3
2 3 4 5 6 7
Температура, °С
рис. 3. Температура почво-грунтов под моховой синузией мощностью: 1 - 17 см; 2 - 9 см; 3 - уплотненная многовидовая мохово-печеночниковая синузия 1.8 см.
поверхности грунта в отсутствие мха реагирует значительно быстрее (кривая 2), чем при наличии мохового покрова.
Влияние синузий мохообразных разной мощности на температуру грунта представлено на рис. 3. Эти результаты получены на разных площадках, для разного вида мха с разными теплофи-зическими свойствами. Для оценки влияния мохового покрова на термическое состояние грунта необходимо знание теплофизических свойств видов мха, преобладающих на данной территории. В настоящее время имеются только разрозненные усредненные для нескольких видов мха данные по их теплофизическим свойствам.
теплофизические параметры некоторых видов мхов. Коэффициенты теплопроводности
таблица 1. Теплофизические параметры мохово-лишайниковых синузий для условий севера Тюменской области и Красноярского края [8]
Мхи и лишайники Плотность скелета, кг/м3 Влажность, % Коэффициент теплопроводности Вт/(м /град)
Кустистые лишайники 60 193 0.15
Бриевые мхи 120 282 0.22
Сфагновые мхи 120 364 0.28
некоторых групп мхов, полученные А.А. Манда-ровым и П.Н. Скрябиным [8] для условий севера Тюменской области и Красноярского края, приведены в табл. 1.
По данным П.Н. Скрябина [7, 8], летом 1978 г. на Сырдахском стационаре для бриевых мхов, синузии которых отличаются большим видовым разнообразием, с влажностью 74-350% получены значения коэффициента теплопроводности 0.080.30 Вт/ (м/град). При средних значениях влажности 200% коэффициент теплопроводности мха составил 0.14 Вт/(м/град).
Для определения теплофизических свойств разных видов мохообразных нами были проведены экспериментальные исследования в районе поселка Баренцбург. Измерялись толщина, плотность и влажность разных видов мохообразных (рис. 4). Забор образцов проводился в пасмурную погоду, через сутки после небольшой мороси. Разные синузии мхов, расположенные недалеко
друг от друга (на расстоянии нескольких сотен метров), показали разные значения влажности, разброс значений от 100 до 200%. Было отобрано по 5-6 образцов каждого из 5 видов мохообразных (рис. 5-9).
Параметры синузий этих видов мохообразных представлены в табл. 2.
Для печеночника G. corralioides получены наибольшие значения плотности как в естественных условиях, так и после сушки. С трех участков получены по три образца плотностью: от 400 до 414 кг/м3; от 550 до 600 кг/м3 и от 600 до 700 кг/м3. Влажность мха (суммарная влажность) рассчитывалась как отношение веса воды к весу воздушно-сухого остатка.
Для определения коэффициента теплопроводности наиболее распространенных на Западном Шпицбергене видов мохообразных проводились измерения температуры внутри синузий мхов и грунта под ними. Единовременные измерения
рис. 4. Процесс подготовки образцов мохообразных для проведения измерений. ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ № 3 2013
2 м и на поверхности мха в пасмурную погоду практически не менялась. В солнечную погоду в любое время суток поверхность мха может существенно нагреваться.
Для S. ппетМа температура на глубинах 4 и 8 см составила 8.5 и 6.3 С соответственно (градиент температуры в слое синузии - 55 град/м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.