УДК 631.4

DOI: 10.24412/cl-36359-2021-414-420

ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ АРИДНЫХ ЭКОСИСТЕМ УБСУ-НУРСКОЙ КОТЛОВИНЫ

WATER-PHYSICAL PROPERTIES OF PSAMMOPHYTIC SOILS AND TEMPERATURE FIELD OF THE UBSU-NUR HALLOW ARID ECOSYSTEMS

С.Я. Кудряшова¹, А.С. Чумбаев¹, Н.П. Миронычева-Токарева¹, С.С. Курбатская², С.Г. Курбатская²

S.Ya. Kudryashova¹, A.S. Chumbaev¹, N.P. Mironycheva-Tokareva¹, S.S. Kurbatskaya², S.G. Kurbatskaya²

¹Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, Новосибирск, Россия

²ГБУ Тувинский научный центр, Кызыл, Россия

¹Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, Novosibirsk, Russia

²GBU Tuva Research Center, Kyzyl, Russia

E-mail: sya55@mail.ru, ubsunur_center@mail.ru

Аннотация. Представлены основные физико-химические и водно-физические свойства псаммофитных почв аридных экосистем Убсу-Нурской котловины. Приведены количественные характеристики температурных полей псаммофитных почв, полученных на основе совместного анализа временных рядов наземного температурного мониторинга и спутниковых данных.

Ключевые слова: аридные экосистемы, водо-физические свойства, температурные поля, наземный и спутниковый мониторинг.

Abstract. There are presented the main physicochemical and water-physical properties of psammophytic soils of the Ubsu-Nur hollow arid ecosystems. Provided the quantitative characteristics of the temperature fields obtained on the basis of a joint analysis of time series of ground-based temperature monitoring and satellite data.

Keywords: arid ecosystems, water-physical properties of psammozems, temperature field, ground and satellite monitoring.

Объектом исследования являются экосистемы эоловых аккумулятивных равнин – полузакрепленных и развеваемых песков Цугер-Элс, являющихся частью обширного песчаного массива Бориг-Дэль на территории Монголии. Песчаный массив Цугер-Элс является кластерным участком Государственного природного биосферного заповедника и объекта Всемирного природного наследия ЮНЕСКО «Убсунурская котловина». Вытянутая форма массива объясняется его аллювиальным происхождением – развеванием речной террасы, «обезвоженной» при опускании местного базиса эрозии [11]. От других географических объектов котловины пески Цугер-Элисс отделены цепью останцов, расположенных вдоль борта прадолины, что практически исключает возможность подпитки подземных вод песков из пресного озера Тере-Холь и реки Тес-Хем. Границы песчаного массива также отчетливо выделяются полосой с относительно сомкнутой степной растительностью, по обе стороны, от которой находятся перевеваемые пространства с крайне разреженным псаммофитным покровом. Основное разнообразие псаммофитных растительных сообществ представлено копеечниково-колоснянковыми и полидоминантными сообществами псаммофитных полукустарничков, крыловоковыльными кустарниковыми степями, которые соответствуют сукцессионным стадиям закрепления песков [6]. Ключевые участки были заложены в пределах песчаной катены – наиболее распространенной формы рельефа в степях, на которой по составу фитоценозов выделяются элювиальная (Эль), транзитная (Транс) и аккумулятивная (Ак) позиции. Катенный комплекс был выбран на типичном для песков Цугер-Элисс местоположении, и характеризуется сочетанием геоморфологических условий, имеющих определяющее значение для почвообразования и формирования продуктивности фитоценозов. Разница высот между элювиальным и аккумулятивным положениями катены составляет 15 м, зона выноса представлена выположенной вершиной высокой гряды с волоснецовым фитоценозом (рисунок 1).

Территория исследования относится к эрзинскому сухостепному району, южноалтайско-тувинско-хангайской котловинно-горной провинции степной зоны, большую часть которой покрывают каштановые супесчаные и песчаные почвы с гранитной дресвой, подстилаемые щебнем, на которых формируются однообразные житняково-ковыльные степи с полынью, лапчаткой и караганой [7].

Эоловый рельеф является специфическим для Убсу-Нурской котловины фактором дифференциации типологического разнообразия почвенного покрова, выделяющийся на космических снимках по характерной морфологии – извилисто-узкополосчатой, грядовой, струйчатой или ячеистой (рисунок 2).

Пески большей частью задернованы, но значительные их площади сильно перевеяны. В зоне влияния перевевания песка расположены контуры лугово-каштановых маломощных и светло-каштановых слаборазвитых почв, значительно отличающиеся по водно-физическим свойствам от почв зонального ряда [12]. Каштановые пески, как особую систематическую категорию в классификации почв Тувы выделил В.И. Носин (1963) и привел сведения о свойствах слабо закрепленных и находящихся в активной стадии дефляции бугристых песков. В дальнейшем, был получен значительный объем материалов, посвященных изучению геоморфологии, генезису, геоэкологическим изменениям песков, который содержится в трудах международной программы Эксперимент «Убсу-Нур» [1, 5, 8]. Согласно принципам субстантивно-генетической классификации почв [2], пески Цугер-Элс могут быть диагностированы как псаммоземы и рассматриваться в системе классификационной схемы: ствол – первичного почвообразования; отдел – слаборазвитые почвы; типы – псаммоземы и псаммоземы гумусовые; подтипы – типичные (O-C˙˙), оподзоленные (W-Ce-C˙˙), иллювиально-ожелезненные (O-Cf-C˙˙) и псевдофибровые (O-Cff-C˙˙).

Основные физико-химические и водно-физические свойства псаммоземов, определяются их гранулометрическим составом (рисунок 3). Главное отличие грансостава песков Цугер-Элс, это высокая степень их сортировки. Как по элементам мезорельефа, так и в вертикальном разрезе отмечается абсолютное преобладание (90-95%) фракции тонкого песка с незначительным участием (1-3%) пылеватых частиц и ила.

В зоне выноса и транзита отмечается некоторое колебание содержания тонкозернистой и пылеватой фракций (1-2%). В зоне аккумуляции отмечается небольшое накопление (до 4%) среднезернистого песка. По составу минеральной массы пески Цугер-Элисс средне и мелкозернистые, хорошо отсортированные, с низким содержанием тонких фракций (2,0-2,5%). С легким грансоставом песков связано низкое содержание гумуса (0,8-2,5%), невысокая емкость катионного обмена, низкая водоудерживающая способность, а также высокие значения водопроницаемости, скорости впитывания и гидрологической проводимости.

Объективно основные особенности строения профиля почв и минеральных грунтов характеризуют показатели плотности (объемной массы) и порозности. В зависимости от содержания первичных элементов и способа их упаковки плотность песков может изменяться в широких пределах. При однородном гранулометрическом составе элементы, шаровидной формы имеют более рыхлое кубическое (47,6%) или более плотное гексагональное (25,9%) расположение. Наиболее высокой плотностью (ОМ 1,5-1,6 г/см³) отличаются эоловые пески, содержащие > 50% тонкозернистых фракций в состоянии максимального уплотнения (рисунок 4). В свежих эоловых наносах значение ОМ намного ниже (1,3-1,5 г/см³). С величиной ОМ тесно связаны показатели общей порозности, которые в псаммоземах Цугер-Элс изменяются от 40 до 50%. Значения свободной порозности (аэрации) в слоях с рыхлой упаковкой гранулометрических фракций довольно высокие (12-15%). При переходе к более плотным слоям их значения резко снижаются (2-4%), поэтому в структуре порового пространства уплотненных слоев песков содержится небольшой объем свободной порозности, необходимой для нормального газообмена и активного протекания аэробных процессов.

Структура порового пространства песков также в значительной степени определяет количественные параметры, характеризующие состояние и запасы почвенной влаги. Водно-физические свойств песков непосредственно оказывают большое влияние на процессы формирования эолового рельефа, так как пески, более увлажненные меньше подвергаются процессам развевания, а также растения, являющиеся одни из основных факторов рельефообразования, активнее осваивают лучшие по почвенно-гидрологическим условиям места обитания.

При увлажнении свыше НВ (наименьшая влагоемкость), в случае выпадения осадков ливневого характера, общая порозность псаммоземов заполняется практически полностью, но при достижении предела влагонасыщения, влага быстро перемещается в латеральном направлении или в нижележащие слои. В естественных условиях в псаммоземах содержится не более 40% влаги от объема почвы, соответствующей НВ и 1,5% от объема почвы при МГ (максимальной гигроскопичности). В связи с наличием в поверхностном горизонте песка температурного градиента, влага движется в направлении более низкой температуры, поэтому в зоне аэрации образуется слой песка с недоступной для растений влажностью завядания (ВЗ), которая составляет 0,7-1,3% от объема. Практическое значение в балансе почвенной влаги имеют запасы продуктивной влаги (ДАВ), которые формируются в слоях ниже зоны аэрации и составляют 40% общего объема псаммоземов (таблица 1).

Наряду с водно-физическими свойствами почв для оценки условий формирования и функционирования почвенного и растительного покрова большое значение имеют показатели их теплообеспеченности. Убсу-Нурская котловина выделяется резкой континентальностью климата – низким атмосферным увлажнением и высокими тепловыми ресурсами лета. Средняя годовая температура воздуха составляет -1,9°С, продолжительность безморозного периода – 169 дней и Ʃt°>10°С=2034, которые создают гидротермический режим каштановых почв и псаммоземов (таблица 2).

Пространственное распределение температурных полей почв Убсу-Нурской котловины представлено на основе статистического анализа совмещения границ и информационного содержания контуров почвенного покрова и температурных полей, полученных совместно с ИВТ СО РАН (рисунок 5). Наземный автоматизированный мониторинг воздуха и почв был организован с использованием специализированного регистратора температуры DS-1921G «Thermochron» с учетом показателей, отражающих генетическое единство типов климата Алтае-Саянского региона. Для проведения ретроспективного анализа, статистической обработки и визуализации данных MODIS использовался созданный в ИВТ СО РАН оригинальный программно-алгоритмический инструментарий, базирующийся на новой технологии доступа к архиву спутниковых данных, реализованной с использованием СУБД PostgreSQL с дополнительным модулем [9, 10].

Таблица 1. Водно-физические свойства псаммоземов Цугер-Элс

Полученные картографические модели дают отчетливое представление о границах контуров температурных полей типологических единиц почвенного покрова Убсу-Нурской котловины и могут быть использованы для выявления пространственных и временных градиентов термических ресурсов в масштабе крупных и локальных единиц почвенного покрова [3, 4]. Также они являются источником дополнительной информации о природных комплексах, формирование и функционирование которых осуществляется в условиях ультравысоких или ультранизких значений температур.

Таблица 2.  Годовой ход температуры воздуха и псаммозема гумусового по глубинам почвенного профиля, Т°С ( N50°15'23,4"; E95°0,2'32,3")

В целом, водно-физические свойства и картографические модели температурных полей, полученные в результате совместного анализа наземных и спутниковых данных, обладают достаточной информативностью в отношении энергетики почвообразовательных процессов и могут быть использованы для оценки гидротермических условий почв малоисследованных аридных территорий.

Исследование выполнено по государственному заданию Института почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.

Список литературы

1. Бугровский В.В., Горшкова А.А., Курбатская С.С. и др. Экосистемный мониторинг песчаных массивов Убсунурской котловины // Методики локального, регионального и глобального биосферного мониторинга: Тр. 3-го междунар. симп. по результатам эксперимента «Убсу-Нур». М.: Изд-во Интеллект, 1994. С. 85-87.

2. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

3. Кудряшова С.Я., Чумбаев А.С., Пестунов И.А., Безбородова А.Н., Курбатская С.С., Рылов С.А., Синявский Ю.Н. Применение данных дистанционного зондирования и наземного автоматизированного мониторинга температурных полей почв для картографического моделирования почвенного покрова // Новые методы и результаты исследований ландшафтов в Европе, Центральной Азии и Сибири (в пяти томах) М.: изд-во ФГБНУ «ВНИИ агрохимии», 2018. С. 238-242.

4. Кудряшова С.Я., Чумбаев А.С., Пестунов И.А., Синявский Ю.Н., Чубаров Д.Л., Безбородова А.Н., Ермаков Н.Б. Картографическое моделирование температурных полей почв Среднесибирского трансекта на основе совместного анализа наземных и спутниковых данных // Обработка пространственных данных в задачах мониторинга природных и антропогенных процессов: Сб. тр. всерос. конф. Новосибирск, 2019. С. 123-131.

5. Курбатская С.С., Кужугет С.К. Палеогеография песчаных ландшафтов Тувы // Экосистемы Центральной Азии: исследование, сохранение, рациональное использование: Материалы XII Убсунурского Междунар. симп., посвящ. 20-летию создания заповедника «Убсунурский бассейн». Улангом, 2014. С. 46-50.

6. Намзалов Б.Б. Степи Тувы и Юго-Востчного Алтая. Новосибирск: Академическое изд-во Гео, 2015. 294 с.

7. Носин В.А. Почвы Тувы. М., 1963. 341 с.

8. Селивестров Ю.П. Геоморфология бассейна Убсу-Нур // Эксперимент «Убсу-Нур». Ч. 1. М.: Интеллект, 1995. С. 7-23.

9. Синявский Ю.Н., Пестунов И.А., Дубровская О.А., Рылов С.А., Мельников П.В., Ермаков Н.Б., Полякова М.А. Методы и технология сегментации мультиспектральных изображений высокого разрешения для исследования природных и антропогенных объектов // Вычислительные технологии. 2016. № 1. С. 127-140.

10. Синявский Ю.Н., Рылов С.А. Экспериментальное сравнение непараметрических алгоритмов кластеризации для сегментации мультиспектральных изображений // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2018. Т. 1. № 4. С. 109-114.

11. Чистяков К.В., Селивестров Ю.П., Москаленко И.Г., Новиков С.А., Севостьянов Д.В. Проблемы устойчивости внутриконтинентальных горных ландшафтов в изменяющемся мире. Спб.: Изд-во РГО, 1994. 94 с.

12. Kudryashova S.Ya., Ditts L.Yu. Remote Study of Natural and Man-Caused Transformation of the Soil Cover of Intermountain Basins in Southern Siberia // Contemporary Problems of Ecology, 2009. Vol. 2. No. 6. pp. 660-666.