научная статья по теме АНАЛИЗ СВЯЗИ ИНДЕКСА ЗАСУШЛИВОСТИ S (КОЭФФИЦИЕНТ ПЕДЯ) И ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ПОЧВЫ В АРИДНЫХ РАЙОНАХ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ Биология

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ СВЯЗИ ИНДЕКСА ЗАСУШЛИВОСТИ S (КОЭФФИЦИЕНТ ПЕДЯ) И ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ПОЧВЫ В АРИДНЫХ РАЙОНАХ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ»

ЗГлоЗ^лЬИЫе и региональные изменений климй^й

УДК 504.3; 551.579.5

АНАЛИЗ СВЯЗИ ИНДЕКСА ЗАСУШЛИВОСТИ S (КОЭФФИЦИЕНТ ПЕДЯ) И ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ПОЧВЫ В АРИДНЫХ РАЙОНАХ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Для изучения процесса терморегулирования почвенного покрова сухостепных территорий юга Западной Сибири выполнен анализ связи динамики температуры и осадков, выраженный через индекс засушливости S (коэффициент Педя), и влажности верхнего (0—10 см) слоя почвы.

Для количественных оценок выполнен анализ внутригодовой динамики этого параметра отдельно для влажных и сухих лет. Установлено, что в засушливые годы количество влаги уменьшается уже в мае, практически, до минимальных значений (13—16 кг/м2) и сохраняется на этом уровне в течение всего летнего сезона. Во влажные годы минимум отмечается в сентябре, в первой половине лета (май— июнь) в верхнем слое почвы содержится 17—22 кг/м2 влаги, которая незначительно уменьшается во второй половине лета (июль—август) до 14—19 кг/м2.

Выявлено, что из всего анализируемого ряда (1948—2010 гг.) 17 лет (или 27 %) относятся к категории засушливых и лишь 10 лет (16 %) — к избыточно увлажненным. Как правило, засушливые годы повторялись через 4—7 лет, однако сильные засухи продолжительностью более 2-х лет повторяются не чаще 1 раза в 20—25 лет.

To study the topsoil thermal regularity in the arid areas of the South of Western Siberia, the article analyzes the temporal dynamics of the index of aridity S (Ped coefficient that shows the ratio of temperature and precipitation) and humidity of the upper (0—10 sm) soil.

The quantitative estimate of the intra-annual dynamics of topsoil wetness was made separately for wet and dry years. It was found that in dry years the topsoil wetness decreased to the minimum values (13—16 kg/m2) as a rule in May, and maintained at this level throughout the summer season.

In wet years in the first half of the summer (May—June), the average topsoil wetness was 17—22 kg/m2, then it decreased slightly in the second half of the summer (July-August) to 14—19 kg/m2, the topsoil wetness minimum was in September. The analysis revealed, that for the period under consideration, 17 years (or 27 %) are classified as arid and only 10 years (16 %) as wet. As a rule, dry periods occurred every 4—7 years, but severe droughts lasting more than 2 years took place no more than once in 20—25 years.

Ключевые слова: аридные территории, индекс засушливости, влажность верхнего (0—10 см) слоя почвы, терморегулирование поверхности почвы.

Keywords: arid areas, aridity index, topsoil (0—10 cm) wetness, surface thermal regularity.

Н. Н. Безуглова, с.н.с, bezuglovan@gmail.com,

Г. С. Зинченко, с.н.с., zings@iwep.ru,

А. В. Пузанов, зам. директора

по научной работе, puzanov@iwep.ru,

К. Ю. Суковатов, м.н.с.,

skonstantiny@gmail.com,

Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт водных

и экологических проблем

Сибирского отделения РАН

Введение. Климатический фактор является ведущим в процессе опустынивания. Крупномасштабная атмосферная циркуляция определяет температурный режим, поступление влаги в засушливые регионы. Изменение атмосферных процессов является одной из главных причин климатической изменчивости в засушливых регионах. Степень засушливости определенных территорий и ее динамику можно оценить с помощью интегральных характеристик засушливости (увлажнения), представляющих собой соотношения температуры воздуха и количества осадков для исследуемых территорий за конкретный временной интервал.

Для климатического опустынивания, кроме того, важен и другой механизм — конвективно-фильтрационный перенос воздуха в порах почвогрунта. Он уменьшает контрасты между температурой поверхности и приземной температурой, ослабляя сухую конвекцию в пограничном слое. Дополнительно он выносит из почвы водяной пар, что ослабляет иссушение воздушной среды обитания растений. Исследование факторов терморегулирования верхнего слоя почвы позволяет выявить обратные связи, влияющие по-разному на опустынивание определенных территорий [1, 2].

Ранее авторами было выявлено [3], что наиболее чувствительными к глобальным климатическим изменениям последних десятилетий оказались территории сухостепной природно-климатической подзоны Западной Сибири,

к которой относятся крайние западные районы Алтайского края.

Для изучения процесса терморегулирования данной территории выполнен анализ связи временной динамики температуры и осадков, выраженный через комплексный индекс засушливости S (коэффициент Педя) [4] и вла-госодержания верхнего (0—10 см) слоя почвы.

Данные и методы. В работе использовались данные о влажности верхнего слоя почвы за период 1948—2010 гг., размещенные на портале DICCE, созданного в NASA, с разрешением 2/3 градуса по долготе и 1/2 градуса по широте, характеризующие месячное количество почвенной влаги на единице площади (кг/м2), осредненное для слоя 0—10 см [5].

Данные о влажности почвы получены с помощью наземных измерений и дистанционного зондирования.

Наиболее точный из наземных методов измерения — это взвешивание образцов влажной почвы и этой же высушенной почвы. Кроме этого, используются методы измерения разности диэлектрических свойств влажной и сухой почв с помощью различных электромагнитных датчиков. Для этого проводятся измерения емкости, импеданса, коэффициента отражения электромагнитного излучения слоев почвы. Для измерений влажности используется разница в поглощении тепла влажной и сухой почвами, а также датчики нейтронного

излучения, основанные на замедлении нейтронов водой.

Спутниковые данные о влажности верхнего слоя почвы получены с использованием дистанционного зондирования в микроволновом диапазоне. Так как влажная и сухая почвы сильно отличаются своими диэлектрическими свойствами (диэлектрические проницаемости воды и сухой почвы составляют 80 и около 5 соответственно), то они так же значительно отличаются излучательной способностью, которую измеряет приемник спутника.

Для расчета индекса засушливости (Б) использовались данные наблюдений метеостанций сухостепной территории Алтайского края о температуре воздуха и осадках за период 1948—2010 гг.

Анализ временных рядов индекса засушливости и влажности верхнего слоя почвы выполнен с использованием корреляционного анализа, построения полиномиальных трендов (сглаживания кривых полиномом 6-й степени). Для количественных оценок исследуемый временной ряд был разделен на два периода: засушливые годы, когда в летний сезон (май—август) индекс засушливости был равен или превышал 1 и влажные годы, когда этот показатель был меньше -1 (табл. 1, 2).

Результаты и обсуждение. Увеличение коэффициента засушливости означает недостаток увлажнения и рост температуры в нижнем

Таблица 1

Влагосодержание верхнего слоя почвы в засушливые годы (S > 1)

Годы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1951 15,2 14,5 14,5 15,9 14,7 12,5 10,6 11,2 9,9 14,0 16,4 22,7

1952 24,5 23,0 21,2 24,0 16,5 11,9 13,4 13,4 13,4 17,7 18,6 17,4

1955 20,8 20,0 20,1 21,9 15,0 11,3 12,4 13,1 14,2 15,7 18,6 19,3

1962 27,8 27,2 33,6 23,8 17,7 15,4 14,5 13,9 14,4 17,5 19,2 18,5

1963 18,4 18,8 27,7 23,7 16,5 13,0 12,4 15,6 16,5 18,4 22,8 23,3

1965 24,9 24,3 26,1 24,4 15,6 13,7 10,6 15,0 17,9 20,1 23,5 24,0

1967 16,4 16,0 19,3 20,6 15,9 13,0 16,4 17,0 18,1 18,2 17,6 16,5

1968 15,7 15,1 24,5 23,4 17,8 12,1 15,4 14,4 14,5 17,6 16,7 16,4

1974 24,1 22,8 23,3 22,7 14,0 13,1 10,6 13,1 16,7 17,4 18,4 18,4

1976 17,4 17,1 17,0 22,3 15,7 13,7 15,6 13,4 14,7 18,7 19,5 19,1

1981 22,7 21,9 26,2 20,6 16,3 11,6 13,4 13,0 14,1 18,6 20,5 20,5

1982 19,9 19,3 18,4 21,4 15,4 12,1 13,5 15,1 14,5 18,3 23,1 28,3

1990 26,1 25,2 32,5 20,5 14,9 12,4 20,0 19,3 15,5 17,9 23,2 24,3

1994 15,0 14,7 16,4 21,7 18,6 13,2 14,0 15,9 17,3 17,3 25,0 30,8

1996 18,8 18,3 18,7 21,2 17,6 14,3 14,3 14,3 16,1 18,6 25,4 25,4

1997 25,3 24,9 32,3 19,2 16,1 12,6 11,8 13,0 11,9 13,2 15,2 14,7

1999 17,3 18,9 20,1 23,6 14,9 16,4 13,3 13,1 14,9 16,1 18,4 21,2

2005 28,6 28,3 35,8 24,7 17,1 18,3 16,0 16,8 15,2 15,2 19,0 21,4

2008 22,3 21,8 24,0 21,8 15,2 13,8 14,5 14,4 17,2 16,8 16,4 16,5

Сред. 21,1 20,6 23,8 21,9 16,1 13,4 13,8 14,5 15,1 17,2 19,9 21,0

Рис. 1. Временной ход индекса засушливости Я атмосферного воздуха (серая линия) и влажности верхнего (0—10 см) слоя почвы (черная сплошная), их полиномиальные тренды:

а) май—июнь, б) июль—август

слое атмосферы. При существовании процесса терморегулирования с увеличением коэффициента засушливости влажность верхнего слоя почвы должна уменьшаться за счет усиления испарения и увеличения потока влаги из верхнего слоя почвы в атмосферу.

На рис. 1 (а, б) представлен временной ход анализируемых параметров за период глобального потепления последних десятилетий (после 1975 г.). Как видно, увеличение засушливости атмосферного воздуха на территории сухостепной зоны Алтайского края влечет

Таблица 2

Влагосодержание верхнего слоя почвы во влажные годы (Я < —1)

Годы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1948 20,2 20,0 22,0 25,8 20,4 17,5 16,4 14,1 15,7 17,6 18,5 18,2

1954 19,8 19,5 19,2 25,7 23,5 20,7 17,9 16,6 17,8 18,4 20,7 21,7

1956 18,7 18,1 17,6 22,9 20,8 18,8 14,3 14,1 14,7 17,6 19,6 18,2

1958 21,4 21,6 22,8 28,9 22,3 20,5 19,9 17,6 17,4 19,2 21,6 23,1

1966 22,4 22,1 24,5 29,1 21,1 19,4 13,5 13,3 13,1 15,1 16,7 16,4

1972 22,4 21,2 21,1 27,3 17,6 18,4 19,3 16,0 13,8 16,0 22,7 27,7

1986 27,3 26,9 27,2 25,8 19,9 17,8 14,6 15,5 13,7 15,9 23,0 21,7

1993 23,7 23,9 26,0 26,2 20,0 18,6 18,8 16,0 15,4 16,6 15,8 15,2

2002 27,9 32,1 31,8 24,1 19,7 18,8 17,8 15,4 13,9 14,9 21,9 24,4

2009 16,4 16,2 23,2 23,5 17,6 16,8 18,7 17,8 16,3 17,1 21,2 22,4

Сред. 20,1 20,3 21,7 24,0 18,9 17,6 16,2 14,9 14,6 16,2 19,3 20,1

Рис. 2. Внутригодовое изменение средних значений влажности верхнего (0-10 см) слоя почвы для сухих (Я > 1, черная сплошная линия) и влажны1х (Я < -1, серая линия) лет

уменьшение влаги в верхнем слое почвы, причем амплитуды колебаний исследуемых параметров находятся в противофазе и хорошо согласуются между собой (коэффициент корреляции составляет -0,84).

Дл

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.

Показать целиком