О тепловом реакторе пустынных почвогрунтов и его роли в формировании влагозапаса в летний период

УДК 581.5+581.135/575.4

В. П. Дедков

О ТЕПЛОВОМ РЕАКТОРЕ ПУСТЫННЫХ ПОЧВОГРУНТОВ

И ЕГО РОЛИ В ФОРМИРОВАНИИ ВЛАГОЗАПАСА В ЛЕТНИЙ ПЕРИОД

На основе экспериментальных исследований объясняется механизм формирования влагозапаса в почвогрунтах пустынных фитоценозов. Делается вывод о формировании в пустыне сезонного теплового реактора, оказывающего влияние на процессы конденсации влаги в почве летом в ночное время.

Experimental research helps explain the mechanism of formation of water reserves in the soils of desert phytocenoses. The author arrives at a conclusion about the development of seasonal heat reactor in deserts, which affects the processes of night water condensation in soils in summer.

Ключевые слова: конденсация, тепловой реактор, почвогрунты, пустыня.

Key words: condensation, heat reactor, soils, desert.

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. Вып. 7. С. 142 — 148.

Введение

Один из наиболее слабо изученных вопросов, обсуждаемых в литературе, относящейся к экологии растительности пустынь Центральной Азии, — за счет каких запасов влаги древесно-кустарниковые растения вегетируют в засушливый летний период. По этому направлению исследований за последние 100 лет накоплены значительные литературные данные, основанные как на теоретических разработках, так и на полевых экспериментах. Особенно остро дискуссия развивалась на примере исследований указанного вопроса на всемирно известной Ре-петекской песчано-пустынной станции в Восточных Каракумах.

Работами академика М. П. Петрова [11; 12] отстаивался тезис о том, что длительно вегетирующие древесно-кустарниковые виды в долинообразных понижениях с черно- и белосаксаульниками существуют исключительно за счет близко залегающих слабо минерализованных грунтовых вод. В барханных песках летом деревья, кустарники и многолетние злаки используют влагу атмосферных осадков, накопленную в толще песка в осенне-зимне-весенний период.

Профессор Э. Н. Благовещенский [2 — 5] на протяжении многих лет последовательно придерживался мнения о том, что деревья и кустарники в засушливый летний период в Каракумах вегетируют за счет конденсационной влаги, накапливающейся в песчаной толще на глубине от 2 до 4 м, и грунтовую воду не используют. В качестве доказательства своей теории М. П. Петров приводил данные раскопок корневой системы саксаулов, а Э. Н. Благовещенский — результаты экспериментальных опытов по изучению конденсации с применением специальных установок.

Многолетние экспериментальные стационарные исследования автора статьи [6 — 10] на Репетекской песчано-пустынной станции, выполненные во второй половине ХХ столетия, доказали, что длительно вегетирующие древесно-кустарниковые виды в долинообразных понижениях с бело- и черносаксаульниками в жаркий летний период при наличии слабоминерализованной грунтовой воды (до 5 — 6 г/л солей), залегающей на глубине 8 — 10 м, используют ее для своего развития. При увеличении минерализации грунтовой воды выше этих значений они переходят на питание влагой из корнеобитаемой песчаной толщи. Однако механизм формирования влагозапаса в почвогрунтах песчаной пустыни в летний период до сих пор так и оставался не изученным.

Цель, объекты и методы исследования

Целью исследований стало выяснение механизма, способствующего накоплению почвенной влаги при отсутствии атмосферных осадков в летний период. Для изучения этого вопроса на Репетекской песчанопустынной станции в Восточных Каракумах, где из-за отсутствия хозяйственной деятельности есть уникальная возможность выявить ход естественных природных процессов, были развернуты стационарные исследования различных экологических факторов (радиационно-теплой баланс, температура почвогрунтов и воздуха, скорость ветра, влаж-

143

144

ность воздуха и почвогрунтов, водный режим растений и многое другое). Заметный элемент ландшафта территории — наличие крупногрядовых песков с барханными полями и долинообразными понижениями. Гряды протяженностью от 2 до 10 км достигают 15 — 20 м в высоту, имеют ассиметричное строение: западные склоны крутые, восточные пологие, постепенно переходящие в межгрядовые долинообразные понижения. Вершины гряд обарханены. В растительном покрове преобладают белосаксаульники (Haloxylon persicum — Stipagrostis pennata — Anisantha tectorum). Восточные пологие склоны заняты барханными песками высотой до 5 — 10 м; здесь произрастают сюзеново-кандымники (Ammodendron conolly + Calligonum arborescens — Stipagrostis karelinii). Вблизи крутых западных склонов гряд узкими лентами шириной до 0,5—1 км простираются черносаксаульники (Haloxylon aphyllum — Suaeda arcuata + Ko-chia odontoptera; Haloxylon aphyllum — Carex physodes — Tortula desertorum). К западу от них появляются белосаксаульники (Haloxylon persicum — Carex physodes — Tortula desertorum).

Важным аспектом в понимании механизмов формирования влаго-запаса является изучение температуры воздуха, почвы и грунтовой воды, поскольку от нее зависит направленность градиентов температуры, влияющих на перемещение водяного пара в почвогрунтах. Поэтому измерения включали определение температуры поверхности и верхнего горизонта почвогрунтов на глубинах (5, 10, 15, 20 см) по максимальным, минимальным, срочным и Савиновским термометрам, а на глубинах 40, 60, 80, 120, 160, 200, 320 см — по вытяжным термометрам и почвенным электротермометрам. В сюзеново-кандымниках комплекс наблюдений за температурой песка проводился в межбарханных понижениях. В бугристых песках с белосаксаульниками и долинообразных понижениях с черносаксаульниками под илаковым (осоковым) и мохово-илаковым покровом на межкроновых пространствах на тех же глубинах, что и в барханных песках. Температура грунтовой воды определялась в специально оборудованных для этой цели скважинах в черно- и белосаксаульниках на глубине 8 — 10 м. Температуру воздуха в межбарханных понижениях и на межкроновых пространствах измеряли на семи уровнях (0,05; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 5 м). Наблюдения проводились через каждые два часа круглосуточно, в сезонной и многолетней динамике. Более подробно методика исследований описана в работах [7—9].

Результаты и обсуждения

Проведенные исследования показали, что температура приземного слоя воздуха и почвогрунтов в зоне аэрации в растительных сообществах пустыни неоднородна. Различия в температуре достаточно отчетливо проявляются между растительными сообществами как в суточной, так и в сезонной динамике. Наиболее отчетливы контрасты в температуре в зимний и летний периоды в припочвенном слое воздуха и поверхностной толще почвогрунтов. Так, в ночные часы зимой самые низкие температуры (- 20,3 °С) наблюдались не на поверхности почвы, а на высоте от 0,05 до 2,5 — 3 м. Здесь воздушная масса на 5 — 7 °С холоднее, чем на поверхности почвы и на высоте более 3 м. К утренним часам слой охлажденного воздуха к верху увеличивался до 5 м и более.

При этом температура приземного слоя воздуха наиболее высока в сю-зеново-кандымниках на барханных песках. В черно- и белосаксаульни-ках по долинообразным понижениям температура приземного слоя воздуха ниже. Сходным образом выглядело распределение температур между растительными сообществами и в дневные часы зимнего периода.

Летом в ночное время, так же, как и зимой, наиболее теплая воздушная масса формируется над поверхностью барханных песков. В долинообразных понижениях с черными и белыми саксаульниками воздух в эти часы охлаждается значительно сильнее. Максимально велики различия в температуре воздуха непосредственно вблизи поверхности почвы или на высоте 5 м, а также в поверхностной (до 15 — 20 см) толще почвогрунтов.

В дневные часы летом наиболее высоки температуры воздуха и поверхностной толщи почвогрунтов на межкроновых пространствах в черносаксаульниках. Минимальны значения температуры в сюзеново-кандымниках на барханных песках. Межкроновые пространства в бе-лосаксаульниках по значениям температуры занимают промежуточное положение между двумя названными выше сообществами.

Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что во всех растительных сообществах Восточных Каракумов в период вегетационного развития древесно-кустарниковой растительности начиная с апреля по октябрь в период с 20 часов вечера и до 6 часов утра формируется особый характер распределения температур как в приземном слое воздуха, так и в поверхностной толще грунта. Ее главная особенность заключается в том, что по мере уменьшения потока приходящей солнечной радиации в вечерние часы (17—18 ч) поверхность песка начинает выхолаживаться и ее температура оказывается на 2 — 3 °С ниже, чем в толще песка на глубине до 5 см, но при этом остается на 5 — 6 °С выше, чем в приземном 5-сантиметровом слое воздуха. После захода солнца при отрицательных значениях радиационного баланса разница в температуре между поверхностью песка и 5-сантиметровой толщей под ней еще более заметна. Так, например, в период с 2 часов ночи до 4 часов утра температура песка на глубине 5 см в черносаксаульниках достигала 35 — 37 °С, а на поверхности она не превышала 22 — 24 °С, что почти на 13 °С ниже. Обращает на себя внимание и то, что температура песка под слоем повышенной температуры (0,05 — 1,2 м) вплоть до капиллярной каймы была примерно такой же, как на поверхности почвы. При этом температура грунтовой воды не превышала 21—23 °С.

Важный аспект в понимании направленности температурных градиентов и перемещении водяного пара — особенность ее распределения в приземном слое воздуха. Наблюдения показали, что наиболее охлажденный слой воздуха формируется вблизи поверхности песка на высоте не более 0,5 м. Здесь температура в ночные часы (22—4 ч) на 4—5 °С ниже, чем в слое воздуха на высоте от 0,5 до 5 м. Аналогичным распределение температуры воздуха и песка было в белосаксаульниках и сюзеново-кандымниках. Различия наблюдались лишь в продолжительности работы ночного сезонного теплового реактора пустынных фитоценозов. Так, если в черносаксаульниках тепловой реактор «включался в работу» в ночные часы с апреля и продолжал работать до начала ок-

145

146

тября и охватывал толщу песка на глубине от 0,05 до 1,2 м, то в белосак-саульниках он проявлял себя с первых чисел мая до начала сентября, локализуясь на глубине от 0,05 до 1,2 м. Наиболее непродолжительной, с первой декады мая и до начала сентября, была работа ночного сезонного теплового реактора в сюзеново-кандымниках на барханных песках, где, так же, как и в черно- и белосаксаульниках, он был локализован на глубине от 0,05 до 1, 2 м.

Из анализа полученных данных следует, что в растительных сообществах Восточных Каракумов в период вегетации древесно-кустарниковой растительности в ночные часы формируется несколько разнонаправленных температурных градиентов. Первый из них направлен в сторону поверхности почвогрунтов из приземного слоя воздуха на высоте от 0,5 до 5 м. Второй также направлен в сторону поверхности почвы, но с глубины примерно 5 — 10 см. Как было показано ранее, и в первом, и во втором случае температура воздуха и почвогрунтов значительно выше, чем на поверхности. При полном отсутствии ветра в ночные часы и увеличении относительной влажности воздуха до 50 — 70% поверхность почвы в раннеутренние часы летом слегка увлажняется. Это легко проверяется прикосновением ладони к поверхности почвы до восхода солнца — ощущается наличие небольшого увлажнения. Однако после восхода такая влага быстро испаряется и никакого влияния на влажность глубинных слоев почвогрунтов не оказывает.

Максимальное влияние на пополнение влагозапаса в почвогрунтах пустынных фитоценозов за счет перемещения водяного пара, на наш взгляд, имеет градиент температуры, направленный из почвогрунтов на глубине от 0,05 до 1,2 м вниз в сторону зеркала грунтовой воды, с которой разность температуры может достигать нескольких десятков градусов [10].

Можно предположить, что в песчаной пустыне наличие сезонного теплового реактора, работающего в ночное время суток, оказывает воздействие на конденсацию водяного пара во всей толще песка вплоть до капиллярной каймы. Этот вывод подтверждают данные о влажности почвогрунтов, полученные из скважин, которые пробурены до уровня грунтовых вод, в середине и в конце вегетации растительности. Обычно во всех растительных сообществах влажность почвогрунтов на глубине более 1,5—2 м была выше в середине или конце вегетации растительности, чем в начале [6; 7]. Особенно заметна разница в изучаемой влажности летом и осенью по сравнению с весенним периодом в песчаной толще с наличием прослоев глины или включений гипса, окатышей сцементированного серого песка или гальки. Там, где встречались эти включения, влажность песка на глубине от 1,5 — 2 до 6 — 8 м и ниже в летне-осенний период возрастала до 6 — 8 %, а в отдельных случаях — до 15 — 27 %. Кроме того, при раскопках почвогрунтов на глубине более 2 м в июне — июле мы нередко встречали линзы песка, в буквальном смысле насыщенного влагой, в которых корни растений скручивались в тугой клубок, вероятно, с целью увеличения всасывающей поверхности. Возможно, именно поэтому длительно вегетирующие древеснокустарниковые виды не испытывают заметных нарушений их водного баланса в жаркий летний период [1; 7—9].

Подтверждает наличие регулярного пополнения запасов влаги в почвогрунтах в июне — июле, в период отсутствия атмосферных осадков, увеличение влажности многолетних ветвей, стволов, стержневых корней и корней первого порядка у всех длительно вегетирующих древесно-кустарниковых видов. Притом наибольшая оводненность корней летом (июнь — июль) фиксировалась не у деревьев и кустарников барханных песков, а у белого и черного саксаула, основных строителей растительных сообществ долинообразных понижений [8; 9]. Соответственно этому от весенних к летним месяцам увеличивалась интенсивность транспирации, которая достигала максимума в июне — июле [1; 8; 9]. Возможно, что формирование слоя песка с более высокой температурой на глубине от 0,05 до 1,2 м обусловлено воздействием растительного покрова, который усиливает контрасты температуры как в приземном слое воздуха, так и в песчаной толще. Обращает на себя внимание и то, что температура песчаной толщи и грунтовой воды, в которой развиваются корни древесно-кустарниковых растений, является достаточно постоянной, и она на 30—50 °С ниже температуры поверхности почвы. Следует подчеркнуть, что температура в диапазоне от 20 до 30 °С комфортна для всасывающей деятельности корней.

Заключение

В результате проведенных исследований было установлено, что в период с апреля по октябрь в почвогрунтах растительных сообществ Восточных Каракумов в ночное время на глубине от 0,05 до 1,2 м формируется песчаная толща с температурой, значительно превышающей таковую как на поверхности почвы и в приземном слое воздуха, так и под ним. Этот слой песчаного грунта с повышенной ночной температурой был назван нами ночным сезонным тепловым реактором. Именно он, по нашему мнению, способствует формированию в период вегетации древесно-кустарниковых растений температурных градиентов, обеспечивающих перемещение водяного пара из поверхностной толщи песка вниз, где начиная с глубины 1,5—2 м и глубже в зоне аэрации температура песка и грунтовой воды (21 — 25 °С) оптимальна для процессов конденсации. Наиболее эффективно реактор работает в самые жаркие (июнь — июль) летние месяцы, и в указанное время температура песка на глубине от 0,05 до 1,2 м в белосаксаульниках на бугристых песках и сюзеново-кандымниках на барханных песках составляет 30 — 35 °С. В черносаксаульниках она на 5 — 10 °С выше. Вероятно, в растительных сообществах с преобладанием длительно вегетирующих древесно-кустарниковых видов их нормальный водный баланс поддерживается благодаря ежедневному приходу конденсационной влаги за счет работы ночного теплового реактора. Но это, как известно, не единственный: источник влаги для длительно вегетирующих растений. При наличии близко залегающих слабо минерализованных грунтовых вод корни растений достигают их уровня и применяют данную влагу для процессов жизнедеятельности. При увеличении минерализации

147

148

грунтовой воды продуктивные сообщества отмирают и замещаются малопродуктивными фитоценозами, возможно, существующими в жаркий летний период исключительно за счет влаги конденсационного происхождения. Весной в период выпадения атмосферных осадков длительно вегетирующие деревья и кустарники используют влагу атмосферных осадков, для чего развивают сезонную поверхностную систему из сосущих корешков, формирующихся в виде войлока вокруг верхней части стержневого корня и корневой шейки.

Список литературы

1. Бобровская Н. И. Водный режим деревьев и кустарников пустынь. Л., 1985.

2. Благовещенский Э. Н. Почвенные и грунтовые воды кустарниковых пустынь // Труды Туркменского филиала Академии наук СССР. 1942. Вып. 4. С. 65-69.

3. Благовещенский Э. Н. Водообеспеченность кустарниковых пустынь Средней Азии в связи с вопросами их восстановления // Докл. АН СССР. 1943. Т. 48, № 4. С. 153-155.

4. Благовещенский Э. Н. Некоторые данные по изучению водного баланса пустынных почвогрунтов // Изв. Туркменского филиала АН СССР. 1946. № 2. С. 32-38.

5. Благовещенский Э. Н. Исследование почвенной влажности в Восточных Каракумах // Изв. АН Туркменской ССР. 1952. № 4. С. 43—48.

6. Гунин П. Д., Дедков В. П. Экологические режимы пустынных биогеоценозов. М., 1978.

7. Дедков В. П. Водно-тепловой режим растительных сообществ Восточных Каракумов : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Ашхабад, 1978.

8. Дедков В. П. Биоэкологические особенности доминантов растительных сообществ Восточных Каракумов : автореф. дис. . д-ра биол. наук. Ташкент, 1988.

9. Дедков В. П. Экологическая ниша и водный баланс доминантов пустынных фитоценозов. Л., 1989.

10. Дедков В. П. Новые данные о температуре воздуха и почвогрунтов растительных сообществ Каракумов // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. Вып. 1. С. 115 — 123.

11. Петров М. П. Корневые системы растений песчаной пустыни Каракумов, их распределение и взаимоотношения в связи с экологическими условиями // Труды по прикл. бот., генет. и селек. 1933. Сер. 1, № 1. С. 113 — 208.

12. Петров М. П. О глубине проникновения корней кустарников в пустыне Каракумы // Изв. АН ТССР. 1955. № 4. С. 82—93.

Об авторе

Виктор Павлович Дедков — д-р биол. наук, проф., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: VDedkov@kantiana.ru

About author

Prof. Victor Dedkov, Immanuel Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: VDedkov@kantiana.ru