Влияние геоэкологических факторов среды на агроклиматические условия роста лесных и сельскохозяйственных культур в Архангельской области

УДК 581.5

БЕЛЯЕВ Владимир Васильевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова, руководитель группы экологии леса лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН, член-корреспондент Петровской академии наук и искусств. Автор 114 научных публикаций

ЛЕВАЧЕВ Алексей Васильевич, аспирант кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор пяти научных публикаций

КУТИНОВ Юрий Григорьевич, доктор геологоминералогических наук, директор Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН, академик Академии естественных наук (Ганновер, Германия), действительный член Европейского научного общества (Германия). Автор 106 научных публикаций, в т.ч. шести монографий

ЧИСТОВА Зинаида Борисовна, кандидат гео-лого-минералогических наук, заведующая лабораторией глубинного геологического строения и динамики литосферы Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 51 научной публикации, в т.ч. двух монографий

ВЛИЯНИЕ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ НА АГРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РОСТА ЛЕСНЫХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ

Геоэкологические условия, конвективный тепловой поток, узлы пересечения тектонических дислокаций, агроклиматические условия, лесные насаждения, сельскохозяйственные культуры

Вопросы пространственной неоднородности объектов и факторов их формирования относятся к наиболее сложным и дискуссионным проблемам современной экологии. В настоящей работе сделана попытка отразить роль литогенной основы на агроклиматические ресурсы региона.

Среди климатических факторов наибольшее значение для лесного и сельского хозяйства имеют тепло и влага. На Севере именно эти условия являются лимитирующими в процессе продуцирования растительности. Известно, что на территории Архангельской области около 6% естественных насаждений представлены высокопродуктивными древо-стоями 11—111 класса бонитета. Запас древесины в них к возрасту 60 лет может достигать 220 м3/га (ельник-кисличник III класса бонитета) и более (650 м3/га — естественно сформировавшиеся листвяги I класса бонитета). В то же время, одноименные типы леса по продуктивности в спелом возрасте отличаются на один и более класс бонитета, то есть различия по запасу древесины составляют свыше 100 м3/га [1]. В данном случае использование зонально-типологической концепции не объясняет распространение в сходных условиях местопроизрастания насаждений разной продуктивности.

Дифференциация по подзонам тайги основывается, в первую очередь, на различии климатических факторов. Однако геологические, геоморфологические, микроклима-

тические условия в пределах подзоны далеко не однородны. Это обуславливает различный водный и температурный режимы, механический и химический составы почв и другие параметры, поэтому и продуктивность растительности, в частности лесов, существенно варьирует. Таким образом, только использование ландшафтной (геоэкологической) основы позволит ответить на ряд вопросов, связанных с изменчивостью и закономерностями распространения и функционирования высокопродуктивных растительных сообществ, с изменчивостью экологических факторов, обеспечивающих эту продуктивность.

В настоящее время исследователи располагают результатами определения конвективного теплового потока (КТП), полученными на основе дистанционного зондирования Земли со спутника МОЛЛ (радиометр ЛУИЯЯ). На 5—10% территории Европейского Севера наблюдается аномально высокий КТП, достигающий десятков Вт/м2 [2]. Величина КТП зависит от строения земной коры: мощности осадочного чехла, наличия разломов, где проявляется неоднородность многих геофизических параметров [3].

Кроме того, наиболее активным структурообразующим элементом геологической среды являются тектонические разломы. С возрастанием числа пересекающихся разломов степень раздробленности, проницаемости и глубинности тектонического узла

Рис. 1. Схема сопоставления материалов. Условные обозначения: 1 — территории с высоким уровнем КТП, 2 — территории с низким уровнем КТП, 3 — холодные участки вырубок, 4 — теплые участки вырубок,

5 — технологическая дорога, 6 — культуры ели (номера участков).

увеличивается. Возникает вертикальная высокопроницаемая область, которая обеспечивает коро-мантийное взаимодействие и постоянный приток флюидов и глубинных газов, то есть появляется глубинный стволовой канал повышенного тепломассобмена [4]. Естественно, что это не может не влиять на растительные сообщества, в том числе и сельскохозяйственные, функционирующие на таких территориях. Кроме того, существуют данные о влиянии геохимических, магнитных и гравитационных аномалий на ход биологических процессов. Например, на территории Беломорско-Кулойского плато отмечена, в частности, дихотомия древесных растений (каждая пятая или десятая ель имеет от двух до восьми вершин). Последнее

объясняется геохимической специализацией территории и «энергодинамическими» свойствами тектонических структур [4]. Проведенные ранее исследования показали, что лесные насаждения, произрастающие в зонах с разной величиной КТП, существенно отличаются по продуктивности (различия в запасах древесины достигают 70 м3/га), хотя имеют сходный тип леса, возраст и состав древостоя [5].

Сравнительное изучение температуры слоя почвы мощностью 30 см и приземного слоя воздуха на 6 территориях (3 с повышенным и 3 — с пониженным КТП) в условиях северной и средней подзон тайги выявило достоверные различия в температуре почвы (табл. 1).

Методика исследований сводилась к одновременному измерению температуры почвы на глубине 30 см и температуры воздуха на высоте 1 м в 100 статистически выбранных точках на территориях с повышенным и пониженным КТП. При этом использовали контактные термометры ТК 5-05 и аспира-ционные психрометры.

Полученные результаты позволяют сделать предварительный вывод о том, что на территориях с повышенным конвективным тепловым потоком выше не только температура почвы на исследованной глубине, но и температура приземного слоя воздуха. Различия составляют 1—1,5°С. Последнее, безусловно, должно оказывать влияние на многие стороны функционирования растительности.

В связи с этим определенный интерес представляют данные о температуре почвы на территориях с разной величиной КТП в холодный период года. При помощи Климатического справочника СССР (Вып. 1, ч. 2. М., 1961) нами были проанализированы следующие значения: 1) температура почвы на глубине 0,2 м; 2) количество дней с температурой почвы ниже 0°С; 3) количество дней в почве в безморозный период; 4) глубина

Таблица 1

Температура почвы (°С) на глубине 30 см на участках с разной величиной КТП

Место наблюдений Район озера Ижма (Пустынное) Район озера Опогра Устьянский лесхоз, кв. 89, 101 Чадромского лесничества

Время наблюдений Июль Июль Июль-сентябрь

Территория 1 2 1 2 1 2

Количество наблюдений 1СС 1СС 1СС 1СС 54 55

Среднее арифметическое (М) 1С,75 9,79 11,С3 1С,58 11,53 1С,59

Среднее квадратичное отклонение (э) С,51 С,б3 С,92 С,9б С,9С 1,С4

Достоверность различий средних значений (1) 14,75 4,22 б,12

Примечание. Вид территории: 1 — с повышенным КТП, 2 — с пониженным КТП.

промерзания почвы (см); 5) глубина проникновения температуры 0°С (см). Данные обработывались в ГИС-пакете MAPInfo 6.5 и программе Microsoft Excel, что позволило сопоставить пункты наблюдений с тепловой картой Северо-Западного региона России. Сравнение проводилось в зависимости от того, на какой территории (с высоким или низким значением теплового потока) располагались места наблюдений. В целом, на территориях с повышенным КТП температура почвы выше. Различия достигают от 0,5 до 1,5°С. Например, температура почвы на глубине 0,2 м в Мезени, расположенной на территории с аномально высоким КТП, составляет 2,6°С, а в Суре и Обозерской, положение которых соответствует территории с пониженным тепловым потоком — 4,3°С и 4,7°С соответственно.

Отмечены различия и в количестве дней с температурой почвы ниже 0°С и продолжительности безморозного периода. В Архангельске, по сравнению с Пинегой, «холодных» дней в почве меньше, а безморозный период длиннее. Влияние эндогенного тепла прослеживается и в Койнасе, распо-

ложенном севернее на «теплой» территории, по сравнению с Сурой, находящейся южнее, где безморозный период короче.

Таким образом, в холодный период года на территориях с повышенным тепловым потоком создаются более благоприятные условия — увеличивается количество дней безморозного периода в почве, сокращается число дней с температурой почвы ниже 0°С, уменьшается глубина промерзания почвы. Все это должно оказывать существенное влияние на функционирование лесных биоценозов.

В марте 2005 г. (период максимального снегонакопления) на территории с высоким значением теплового потока и за ее пределами в Березниковском лесхозе нами проведены одновременные измерения мощности снежного покрова и температуры поверхности почвы под снегом. Методика сводилась к измерению данных показателей в 100 статистически выбранных точках в каждом из указанных пунктов. При этом использовали контактный термометр ТК 5-05. Результаты представлены в таблице 2.

Нами также проанализированы особенности произрастания растений, имеющих

Таблица 2

Температура и мощность снежного покрова

Место наблюдений Показатель

Температура (°С), М±т Мощность снега (см), М±т

Территория с повышенным тепловым потоком -С,87+С,11 б9,б+2,1

Территория с пониженным тепловым потоком -1,32+С,С9 71,9+2,б

сельскохозяйственное значение, на территориях с различным конвективным тепловым потоком Земли (КТП). При этом использовали данные Агроклиматического справочника Архангельской области по следующим культурам: озимая рожь, яровая пшеница, овес, лен, капуста, морковь, картофель, ячмень, клевер. По среднестатистическим датам было вычислено количество дней, приходящихся на каждую из фенологических фаз. Для анализа были использованы фаза появления всходов, фаза выхода в трубку и достижение полной спелости. С целью соблюдения корректности исследования учтены агроклиматические условия Архангельской области, согласно классификации Агроклиматического справочника по Архангельской области. В результате проведенных исследований выявлено, что для большей части культур на территориях с повышенным конвективным потоком требуется меньшее количество дней на одну фенологическую фазу (табл. 3).

Были проанализированы данные по продолжительности выпаса скота. На карте видно, что период выпаса более продолжителен на территориях с повышенным КТП. Видимо, на таких территориях складываются более благоприятные условия для произрастания луговых трав, что способствует увеличению периода выпаса животных.

Практически ни один месяц вегетационного периода в таежной зоне не обходится без заморозков. По многолетним данным, их частота в северной подзоне тайги составляет 9—13 дней в июне, 4—5 дней в июле, 1—8 дней

в августе, 6—8 дней в сентябре. Исходя из этого, изучение географического распространения заморозков и условий их образования с целью выявления наименее заморозкоопасных территорий является необходимым условием для повышения эффективности и качества лесных (ели), а также многих сельскохозяйственных культур.

На территории южной части Беломор-ско-Кулойского плато (Луковецкое лесничество Холмогорского лесхоза, северная подзона тайги) были визуально выявлены участки культур ели, которые сильно повреждались заморозками. Кроме того, были отмечены площади, где повреждаемость культур не зафиксирована. Исследования выполнялись на 16 контрольных участках вырубок, где проводились замеры температуры воздуха минимальными термометрами (по 10 шт. на каждый участок). Для непрерывной регистрации температуры использовали недельные термографы. Измерение температуры почвы проводили с помощью коленчатых термометров. Во время ночного заморозка на каждом участке трехкратно замеряли температуру воздуха на поверхности почвы и на высоте 1 м. Дифференциация каждого участка по интенсивности и силе заморозков проводилась по средним значениям минимальной температуры. Участки исследований имеют инструментальную координатную привязку (GPS Garmin III Plus).

На рисунке 2 показана часть территории Луковецкого лесничества (юг Беломорско-Кулойского плато), характеризующая микроклиматические особенности на вырубках

а

Таблица 3

Фенологические фазы некоторых сельскохозяйственных культур на территориях с разным КТП

Населенный пункт Агроклиматический район КТП на определенной территории Озимая рожь Яровая пшеница Овес Лен Ка- пуста Ячмень Картофель

По теплообеспе- ченности (с севера на юг) С запада на восток Фаза развития С Фаза развития Фаза развития Фаза развития К Фаза развития Фаза развития

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 I II III

ПОДЗОНА СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ

Лешуконское Холодный Восточный Повышенный И 36 90 329 20 49 89 24 67 86

Койнас Холодный Восточный Повышенный 15 35 98 323 21 50 90 31 71 99

Пинега Умеренно холодный Восточный Пониженный 16 34 105 354 97 19 44 91 28 60 82

Архангельский оп. п. Умеренно холодный Западный Повышенный 71 17 37 89 22 60 89

Холмогоры Умеренно холодный Западный Пониженный 10 30 92 376 74 17 45 89 34 64 97

ПОДЗОНА СРЕДНЕЙ ТАЙГИ

Сура Прохладный Восточный Пониженный 13 30 90 365 - - - 20 52 103 - - - 101 19 40 85 26 62 91

Турчасово Прохладный Западный Пониженный 22 28 88 406 18 46 91 19 53 101 - - - - 16 41 87 27 66 95

Двинской Березник Прохладный Западный Повышенный 13 30 93 432 18 47 92 16 46 95 - - - - 16 45 87 23 57 90

Верхняя Тойма Прохладный Восточный Повышенный 13 27 89 420 16 40 89 17 43 97 14 43 78 - 19 44 86 24 57 86

Конево Прохладный Западный Пониженный И 34 95 403 19 44 95 19 52 101 17 50 92 90 14 40 83 22 57 82

Шенкурск Умеренно прохладный Западный Повышенный 10 27 94 442 16 41 94 18 47 97 18 47 88 79 16 46 94 29 66 96

Каргополь Прохладный Западный Повышенный 12 27 93 427 15 39 90 19 49 97 15 45 92 102 19 43 92 23 60 92

Шангалы Умеренно прохладный Западный Повышенный И 33 89 422 20 49 94 20 52 100 15 48 83 89 18 50 94 25 59 95

Вельск Умеренно прохладный Западный Повышенный И 26 92 435 17 45 94 17 48 97 12 42 95 84 16 43 91 25 59 89

Примечание. Фаза развития озимой ржи, яровой пшеницы, овса, льна, ячменя: 1 — количество дней до появления всходов, 2 — количество дней до выходов в трубку, 3 — количество дней, понадобившееся для достижения спелости; фаза развития картофеля: I — количество дней до появления всходов, II — цветение, III — количество дней, понадобившееся для достижения спелости; К — количество дней до достижения тепличной спелости капусты; С — сумма эффективных температур озимой ржи; КТП — конвективный тепловой поток.

Беляев В.В. и др. Влияние геоэкологических факторов среды...

Рис. 2. Места проведения исследований.

Условные обозначения: 1 — тектонический узел (изолинии плотности), 2 — глубинные разломы, 3 — места расположения осадкомеров.

во время весенне-летних ночных радиационных заморозков. Анализ географически привязанных материалов, осуществлявшийся в ГИС-пакете Map Info 6.5, показал, что участки культур, о которых говорилось выше (менее подверженные влиянию заморозков) расположены в зонах с повышенным уровнем КТП. К данным территориям приурочены культуры ели, для которых характерны более высокие показатели роста. На этом основании можно предположить, что формирование наименее подверженных заморозкам таежных территорий и, как следствие, меньшая повреждаемость куль-

тур ели в вегетационный период обусловлены аномалиями конвективного теплового потока высокой интенсивности (до 30— 50 Вт/м2).

Таким образом, несмотря на мозаичный характер распространения заморозков, вероятность их возникновения, характеристики частоты и интенсивности, а также продолжительность безморозного периода различаются на территории Европейского Севера и зависят от местных условий. На наш взгляд, кроме общепризнанных зональных и азональных факторов, оказывающих наиболее значимое влияние на формирование замо-

Таблица 4

Кол-во осадков за период наблюдений

П ериод наблюдений Количество осадков, раз Количество осадков, кг/м2

Центр Периферия Центр Периферия

07.07-14.07 7 11 5,9 7,6

15.07-21.07 9 11 32,4 34,6

22.07-26.07 - 1 - -

27.07-02.08 5 9 1,40 1,5

03.08-08.08 - - - -

09.08-15.08 - - - -

16.08-24.08 4 5 33,1 45,6

25.08-31.08 4 6 29,2 53,5

01.09-07.09 5 10 18,9 23,2

08.09-14.09 - - 8,6 9,7

Всего за период наблюдений 34 53 129,5 175,7

розков (широтная зональность, континен-тальность, рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона, характер подстилающей поверхности, наличие растительного покрова, близость водоема), необходимо ввести новый критерий — конвективный тепловой поток. Стоит особо отметить, что для подобного уточнения характеристик заморозков для каждой конкретной территории необходимо проведение микроклиматических исследований, что связано с определенными трудностями. В свою очередь, использование картографических материалов, полученных с помощью дешифрирования тепловой космической съемки, позволяет в определенной мере избежать крупномасштабных инструментальных наблюдений при выделении наименее заморозкоопасных территорий для выращивания культур, сильно страдающих от этого фактора.

Кроме того, установлено, что над тектоническими узлами располагается стационарный минимум атмосферного давления [6]. Последнее обстоятельство мы учитывали, начиная исследования по влиянию тектонических узлов на биоту. Методика исследова-

ний сводилась к следующему. В период экспедиционных исследований (июль-сентябрь 2006, 2007 гг.) практически в центре тектонического узла (рис. 2) ежедневно фиксировалось, сколько раз выпадали осадки в центре и на периферии. Сначала результаты визуальных наблюдений уточнялись путем устного (телефонного) опроса работников лесничеств, расположенных на периферии тектонического узла. Одновременно с этим в центре и на периферии узла на открытом месте в четырех повторностях были установлены сосуды площадью 69,4 см2 каждый. Места их расположения имеют координатную привязку (GPS Garmin III Plus). Раз в пять дней осадки из них сливались и взвешивались, затем помещались в отдельные емкости, а в конце периода наблюдений были снова взвешены. Обобщенные результаты представлены в таблице 4.

Из приведенных данных видно, что осадки в центре тектонического узла выпадают значительно чаще, а их количество на 26% меньше. Естественно, что такое распределение осадков неизбежно влияет и на растительные сообщества.

Список литературы

1. Мелехов В.И., Чертовской В.Г., Моисеев Н.А. Леса Архангельской и Вологодской областей // Леса СССР. М., 1966. Т. 1. С. 78-157.

2. Горный В.И., Теплякова Т.Е. О влиянии эндогенного тепла земли на формирование в Бореальной зоне локальных ареалов неморальной растительности // Доклады Академии наук. 2001. Т. 378, № 5. С. 1-2.

3. Горный В.И., Шилин Б.В., Ясинский Г.И. Тепловая аэрокосмическая съемка. М., 1993.

4. Кутинов Ю.Г., Чистова З.Б. Разломно-блоковая тектоника и ее роль в эволюции литосферы // Литосфера и гидросфера Европейского Севера России. Геоэкологические проблемы. Екатеринбург, 2001. С. 68-113.

5. Беляев В.В. Влияние конвективного теплового потока Земли на лесорастительные условия // Вестн. Помор. ун-та. Сер. «Естественные и точные науки». 2003. № 1(3). С. 23-28.

6. Кутинов Ю.Г., Чистова З.Б. Иерархический ряд проявлений щелочно-ультраосновного магматизма Архангельской алмазоносной провинции. Их отражение в геолого-геофизических материалах. Архангельск, 2004.

Belyaev Vladimir, Kutinov Yuri, Levachev Alexey, Chistova Zinaida

ON THE GEOECOLOGICAL FACTORS INFLUENCE ON THE AGROCLIMATIC GROWTH CONDITIONS OF FOREST CULTURES AND CROPS IN THE ARKHANGELSK REGION

The paper considers changing growth conditions of crops and forest cultures depending on the geoecological factors (convective thermal flow, junctions of tectonic dislocations). Phenological phases of some crops are adduced. The territories with an increased convective flow are shown to be subjected to freezing to a smaller extent.

Получено 01.06.2007

Рецензент - Бабич Н.А., доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры лесных культур и ландшафтного строительства Архангельского государственного технического университета