Почвоведение, 2020, № 9, стр. 1132-1143

ВВЕДЕНИЕ

Медно-никелевое предприятие, расположенное в центре Кольского полуострова (северо-запад России), является самым крупным и длительно действующим источником выбросов SO₂ и тяжелых металлов на севере Европы [17, 24]. Одним из наиболее очевидных последствий выбросов этого предприятия является экстремальное химическое загрязнение всех поверхностных компонентов окружающей среды: атмосферы и атмосферных осадков [19], почв [3, 4, 22, 24] и растений [11, 23] основными металлами загрязнителями – Ni и Cu. Так, содержание Ni и Cu в горизонте О почв около этого предприятия к настоящему времени достигло уровней свойственных перерабатываемой руде [4]. В меньшей степени все поверхностные среды здесь загрязнены большим спектром других токсичных элементов – Cd, Pb, Hg, As, Tl и др. [3, 22, 24]. Тем не менее, наиболее значительное влияние на химические свойства (содержание органического вещества, ЕКО, содержание обменных оснований и доступных питательных элементов) и морфологическое сложение почв деятельность предприятия оказывает посредством косвенного воздействия – через разрушение растительности [6, 18].

После сокращения выбросов в последние 20 лет около этого предприятия, как и в целом в регионе [17], началось восстановление растительности [7, 13]. В основном оно здесь протекает за счет разрастания выживших древесных растений – главным образом березы с протяженными, глубоко уходящими корнями. Напочвенный покров здесь восстанавливается значительно медленнее. Это обусловлено не только экстремальным загрязнением, но и физическим разрушением верхнего горизонта О почв [6] – места обитания корней кустарничков. Единичные выжившие куртины кустарничков разрастаются только в местах скопления свежего опада березы под кронами деревьев (рис. S1 , А). Вместе с тем, для дальнейшего устойчивого восстановления нарушенных экосистем необходимо формирование не только напочвенного покрова, но и древесного подроста. Как показал многолетний мониторинг, семена выживших березы и сосны являются жизнеспособными и прорастают, несмотря на экстремальное загрязнение верхних слоев почв тяжелыми металлами. Однако через несколько лет эти сеянцы гибнут.

Кроме приведенных выше негативных антропогенных факторов дополнительными причинами угнетенного состояния выживших растений и гибели сеянцев могут быть также изменения водного и теплового режима нарушенных экосистем. Большая роль растений [1, 12] в формировании теплового режима почв и задокументированные его изменения в случае повреждения растительности другими факторами, например, пожарами [8] или рубками леса [2] дают основание предположить, что микроклимат нарушенных экосистем около медно-никелевых предприятий также претерпел серьезные изменения.

Возможность сдвига водного режима нарушенных экосистем в сторону иссушения из-за повреждения напочвенного покрова была нами показана ранее при анализе факторов и механизмов разрушения экосистем под воздействием медно-никелевых предприятий в регионе [18]. Дополнительным стресс-фактором для ослабленных сеянцев березы здесь могут быть и ранние осенние заморозки. Причем, именно, заморозки могут оказаться главным фактором в повреждении сеянцев. Поскольку, согласно теории Маниона [21] именно мороз рассматривается в качестве основного фактора повреждения и гибели деревьев в условиях загрязнения. Остальные факторы, включая загрязнение, могут только ослабить растения. Некоторые лесоводы [15, 16], изучавшие повреждение экосистем под воздействием медно-никелевых предприятий на Кольском полуострове в период наивысшего объема выбросов, также рассматривали мороз в качестве важного фактора повреждения деревьев.

С морозными явлениями могут быть связаны и два других вида повреждения в экстремально загрязненных и нарушенных экосистемах около медно-никелевого предприятия: морозное пучение на отдельных участках с выталкиванием материала иллювиального горизонта BF подзола на поверхность (рис. S1 , В) и появившееся в последние несколько лет выталкивание проводящих корней березы над поверхностью (рис. S1 , С). Если первое может иметь положительный экологический эффект, поскольку на поверхности оказывается минеральный материал, который не способен накапливать большие количества тяжелых металлов и является менее токсичным субстратом для сеянцев [4]. То последствия от выталкивания корней значительно более серьезные – могут привести к гибели деревьев переживших период наивысшего загрязнения атмосферы.

Вместе с тем изменениям микроклимата экосистем вследствие нарушения растительности около медно-никелевых предприятий на Кольском полуострове посвящены единичные работы [20]. Для выявления возможности повреждения сеянцев березы и выталкивания корней при пучении грунта морозами во время осенних заморозков были проведены рекогносцировочные наблюдения за динамикой температуры почв на двух участках сильно загрязненной и нарушенной экосистемы около источника выбросов: преобладающей в структуре экосистемы техногенной пустоши без напочвенного покрова (где прорастают и гибнут сеянцы березы и выталкиваются на поверхность корни деревьев) и разрастающегося в ответ на снижение выбросов небольшого куста вороники (Empetrum hermaphroditum). Эта работа была проведена в рамках комплексного почвенно-геоботанического мониторинга [4–6, 19].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Наблюдения за температурой почвы проводили на стационарной площадке II-1 комплексного почвенно-геоботанического мониторинга [4–6, 19], расположенной в 8 км на север от комбината “Североникель” (рис. S2 ). Она расположена на плоской вершине моренного холма. Растительность здесь представлена кустистой березой, разросшейся после значительного снижения выбросов в последние 20 лет. Высота берез не превышает 2 м, а проективное покрытие крон на площадке составляет около 30%. Напочвенный растительный покров на большей части территории площадки к началу мониторинговых исследований (2001 г.) был уже полностью разрушен. Почва представлена деградированным подзолом с разрушающимся горизонтом О на поверхности [6]. По данным обследования 2001–2011 гг., эта площадка является одной из самых загрязненных: концентрации Ni в снежном покрове превышали фоновые значения в 7300 и Cu в 5700 раз [19], а в разрушающемся горизонте О – Ni в 1200 и Cu в 730 раз [4].

Экстремальность условий произрастания растений здесь обусловлена не только высоким уровнем загрязнения, но и природной суровостью климата [10, 14] в данной местности (коротким вегетационным периодом, продолжительной холодной зимой и низкой суммой биологически активных температур) из-за ее высокого широтного положения (67°59′16.7″с. ш.).

Температуру верхнего горизонта О почв на глубине 2 см фиксировали 6 раз в сутки температурными регистраторами марки iButton с 22 сентября 2014 г. по 11 июня 2015 г. и в тот же период 2015/2016 гг. на двух участках стационарной площадки II-1 (рис. S3 ) Первый участок – “техногенная пустошь” представлял преобладающую часть территории экосистемы без напочвенного покрова с разрушающимся гор. О подзола коренной экосистемы на поверхности. При длительном отсутствии свежего опада старое органическое вещество гор. О здесь хорошо разложилось и превратилось в пылящий материал, смешанный с минеральными частицами из нижерасположенных горизонтов [6]. Сверху горизонт гор. О пустоши имеет темную серовато-коричневую (10YR 3/2) окраску. В нем находятся только редкие крупные проводящие корни деревьев.

Второй участок представлял единичные разрастающиеся после снижения выбросов куртины вороники (Empetrum hermaphroditum) рядом с кроной березы – участок “вороника”. Здесь горизонт О представлен разлагающимся современным опадом листьев березы, сметаемым сюда с открытых мест ветром. На поверхности кроме живых побегов вороники находится слегка потемневший прошлогодний опад листьев березы. Его светлая золотисто-коричневая окраска на поверхности с глубиной по мере разложения становится темно-серой. На этом участке в горизонте O много живых крупных и мелких корней растений.

Кроме различий по способности отражать радиацию из-за различий цвета и материала поверхности на тепловой режим почв могут также оказать влажность, содержание органического вещества и плотность сложения [1]. Данные разреза-траншеи 2013 года на этой площадке показали, что влажность гор. О пустоши составила всего 8.2% (на воздушно-сухую почву), а влажность гор. О под вороникой варьировала от 19% в верхнем слое 0–1 см, до 44% на глубине 2 см и 256% на глубине 4 см. Площадное опробование в 2018 г. также показало, что влажность гор. О пустоши меньше (варьирует от 17 до 100, среднее – 36%, n = 13), чем в почве под вороникой (от 33 до 145, среднее 93%, n = 5). Согласно U-критерию Манна-Уитни, влажность слоя со свежим опадом листьев березы под вороникой была значимо (p ≤ 0.01) больше по сравнению с разрушающимся гор. О на пустоши.

Различия по содержанию С_орг в гор. О между участками в разрезе-траншее были менее существенны (41% на абсолютно-сухую почву в пустоши, 51% в верхнем слое 0–1 см и 49% на глубине 2–4 см под вороникой), но по составу органики почва на пустоши и под вороникой отличались принципиально: в первом случае – это остатки старого органического вещества почвы исходного кустарничково-зеленомошного ельника, а под вороникой – свежий разлагающийся опад листьев березы.

Более высокая влажность гор. О, состоящего из опада листьев березы, не означает ее более высокую теплопроводность, поскольку она имеет более рыхлое сложение по сравнению с пустошью: плотность гор. О пустоши по результатам площадного опробования 2018 г. составила (среднее ± стандартное отклонение) 0.58 ± 0.19 г/см³ (n = 13), а под вороникой – 0.14 ± 0.07 г/см³ (n = 5).

Логгеры были установлены в метре друг от друга. Что позволило свести к минимуму различия по затенению обследованных участков деревьями.

Температуру воздуха, высоту снежного покрова, облачность и направление ветра за период исследования представляли данные метеостанции “Мончегорск” (URL: http://www.rp5.ru), расположенной в 4 км на В-ЮВ от площадки мониторинга (рис. S2 ). Некоторое представление о мощности и плотности снега, от которых зависит тепло- и воздухообмен между почвой и воздухом в зимний период [9] на обследуемой площадке дают данные наблюдений 2005–2011 гг. [19]. Так средняя мощность снега на конец марта здесь в тот период варьировала от 47 до 78 см и была от 9 до 24 см выше, чем на метеостанции “Мончегорск”. Плотность снега варьировала от 0.18 до 0.30 г/см³. Для мощности снега на этой площадке свойственно очень высокое пространственное варьирование. Например, в 2006 году при средней мощности снежного покрова 66.2 см на площадке, она варьировала от 40 до 83 см, то есть в 2 раза.

Обработка данных и построение диаграмм были проведены с использованием Microsoft Excel 2010.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Как показали результаты, почвы под куртиной угнетенной вороники и техногенной пустоши в обследованной экосистеме, значительно различались по всем температурным показателям (табл. 1). Так, средняя за период исследования (с 22 сентября по 11 июня) температура воздуха в 2014/2015 гг. составила –2.9, в 2015/2016 гг. – –2.6°С. В почвах на обоих участках эта величина была в области положительных температур. При этом средняя температура почвы в 2014/2015 гг. под вороникой была на 0.9°С ниже по сравнению с почвой пустоши.

Максимальная среднесуточная температура почвы пустоши благодаря темной окраске поверхности и лучшему прогреванию в летний период была близка к этому показателю для воздуха оба сезона и почти на 4°С превышала температуру почвы под вороникой в 2014/2015 гг. Благодаря теплоизоляционным свойствам снежного покрова минимальная среднесуточная температура в почвах на обоих участках оказалась значительно менее низкой по сравнению с воздухом. Минимальная среднесуточная температура в почве под вороникой при этом в 2014/2015 гг. была на 2°С выше по сравнению с пустошью.

Абсолютный максимум температуры почвы и в воздухе оба сезона был отмечен в самом конце мая. При этом в почве пустоши он был выше не только по сравнению с почвой под вороникой, но и по сравнению с воздухом.

Абсолютная минимальная температура в почве пустоши, наоборот, была ниже, по сравнению с почвой под вороникой, причем минимальные абсолютные температуры почвы на разных участках были отмечены в разное время: в почве пустоши в 2014/2015 гг. – –7.5°С осенью (утром 6 ноября), в 2015/2016 гг. – –3.4°С (12 ноября 2015 г.), когда мощность снега на метеостанции была менее 0.5 и 8 см соответственно. В почве под вороникой минимальная абсолютная температура (–3.9°С) была отмечена в середине зимы (12–14 января 2015 г.), когда температура воздуха несколько предшествующих дней держалась около –30°С.

Диапазон варьирования температуры воздуха за период наблюдений оба сезона по данным метеостанции составил почти 60°С. Температура почвы за период исследований варьировала в более узком диапазоне по сравнению с воздухом. При этом в почве под вороникой в 2014/2015 гг. он был значительно уже (всего 17°С) по сравнению с пустошью (около 30°С).

Наблюдения 2014/2015 гг. также выявили значительные различия между участками по продолжительности периода с отрицательными среднесуточными температурами: в почве на пустоши он составил 112 дней, в почве под вороникой – 182 дня. Количество дней со среднесуточной температурой >+5 и >+10°С в почве пустоши было сопоставимо с воздухом в 2014/2015 гг. и существенно больше в 2015/2016 гг. (табл. 1). В почве под вороникой продолжительность этих периодов была значительно меньше. Соответственно, и суммы биологически активных температур за период исследований в почве на пустоши также были значительно выше по сравнению с почвой под вороникой.

Снежный покров оказывает значительное влияние на температуру почвы в зимний период. Согласно данным метеостанции, непостоянный снежный покров мощностью 0.5–5 см на территории присутствовал с 14 октября по 11 ноября 2014 г. и с 27 октября по 2 ноября 2015 г. Постоянный снежный покров оба сезона держался около 180 дней. Из них в 2014/2015 гг. 132 дня высота снежного покрова превышала 30 см и 93 дня – 40 см. Максимальной мощности – 58 см он достиг 1 апреля 2015 г. В 2015/2016 гг. 113 дней высота снега была более 30 см, 80 дней – 40 см, 59 дней – более 50 см. Максимальная высота – 69 см была обнаружена 28 февраля 2016 г.

Ход среднесуточных температур за период исследования. Соотношение среднесуточной температуры почвы между разными участками за период исследований не было постоянным и зависело от периода времени (рис. 1). В осенний период с 22 сентября до 12 ноября 2014 г. (до формирования постоянного снежного покрова по данным метеостанции) среднесуточная температура почвы под вороникой менее четко следовала за изменениями температуры воздуха по сравнению с почвой пустоши. В конце сентября благодаря солнечной активности почва пустоши днем прогревалась сильнее, но в вечерние и ночные часы остывала значительнее. В результате различия среднесуточной температуры почвы между пустошью и вороникой были незначительными – на 0.2 ± 0.1°С (здесь и далее: среднее ± стандартное отклонение). При этом в 56% случаев температура была выше под пустошью, а в 44% – под вороникой.

Рис. 1.

Среднесуточная температура почвы на глубине 2 см на участке с полностью нарушенным напочвенным покровом (“пустошь”) и под разрастающейся куртиной вороники (“вороника”) с 22 сентября 2014 г. по 10 июня 2015 г.

В октябре–первой декаде ноября среднесуточная температура почвы пустоши также более четко следовала за ходом температуры воздуха (r = 0.81). При этом разница между воздухом и почвой пустоши сокращалась с каждым новым случаем резкого похолодания: 22 октября температура почвы на пустоши была на 9.6°С, 1 ноября – на 2.3°С, а 6 ноября только на 1.5°С выше по сравнению с воздухом. В эти первые три эпизода резкого похолодания, снижение температуры почвы под вороникой запаздывало на 1–2 дня, и было менее значительным по сравнению с почвой пустоши. Например, 6 ноября, когда среднесуточная температура почвы пустоши резко снизилась до минимальной среднесуточной за весь период наблюдений (–5.9°С), температура почвы под вороникой была почти на 4°С выше. В этот период среднесуточная температура почвы под пустошью в 57% случаев была выше, чем под вороникой на 0.3 ± 0.2°С. В 44% случаев почва под вороникой была теплее, но ее преимущество было значительнее: на 0.9 ± 1.0°С (рис. 1).

Среднесуточная температура воздуха в период с 12 ноября 2014 г. (сформировался постоянный снежный покров) до 30 марта 2015 г. (переход температуры воздуха через 0°С) составила –7.4 ± ± 7.4°С. Благодаря термоизоляционным свойствам снежного покрова среднесуточная температура почвы зимой и ее варьирование на обоих участках было значительно ниже: –0.5 ± 0.6°С – для пустоши и –1.5 + 0.9°С – для вороники.

В почве пустоши варьирование среднесуточной температуры постепенно уменьшалось по мере увеличения мощности снега. Начиная с 24 февраля 2015 г., когда мощность снега по данным метеостанции достигла 50 см, и до 1 мая среднесуточная температура почвы пустоши устойчиво держалась на +0.1°С. В отличие от весенне-летнего и осеннего периодов, среднесуточная температура почвы под вороникой в зимний период была устойчиво ниже, чем в пустоши и она продолжала, хотя и слабо реагировать на резкие снижения температуры воздуха в течение всего зимнего периода. Именно на зимний период (13–14 января 2015 г.) пришлась минимальная среднесуточная температура –3.9°С в почве под вороникой, когда температура воздуха несколько дней держалась ниже –30°С.

Причиной различий хода среднесуточных температур почвы между участками в зимний период может быть пространственное варьирование на площадке мощности и плотности снега, которые оказывают значительное влияние на теплопроводность снега и интенсивность воздухообмена почвы с атмосферой [9]. То есть в данном случае над куртиной вороники мощность снега (возможно из-за приподнятости поверхности над пустошью) или плотность (из-за шероховатости поверхности) снега были меньше по сравнению с пустошью.

Из-за значительного многолетнего и пространственного варьирования мощности и плотности снежного покрова (см. выше) можно допустить возможность более сильного промерзания почвы на всей площадке в малоснежные годы.

С 1 марта до начала мая снежный покров продолжал предохранять почву от резкого падения температуры. Устойчивый переход через ноль в сторону положительных температур для воздуха был отмечен 30 марта 2015 г. В почве это событие было отмечено значительно позже: 2 и 6 мая, для пустоши и под вороникой, соответственно, когда мощность снега на метеостанции составляла уже менее 30 см. В отличие от осеннего периода, в весенне-летний период с 6 мая по 10 июня среднесуточная температура почвы под вороникой была устойчиво ниже (на 2.5 ± 0.9°С) по сравнению с почвой пустоши. Различия по температуре почвы между двумя участками были значимы согласно U-критерию Манна-Уитни при p < 0.01. Распределение среднесуточной температуры в почвах обоих участков достоверно при p < 0.01 коррелировало с температурой воздуха: r = 0.83 и 0.80 для пустоши и вороники, соответственно. Относительно воздуха температура почвы пустоши была в 47% случаев на 2 ± 0.9°С выше; почва под вороникой была ниже в 75% случаев на 3.1 ± 1.7°С.

Наблюдения за температурой почвы пустоши в 2015/2016 гг. (табл. 1, рис. 2) также показали, что среднесуточная температура в бесснежный период достоверно коррелировала с температурой воздуха: r = 0.93 для осени (22 сентября–6 ноября) и 0.78 для весенне-летнего периода (2 мая–10 июня). При этом в 68% случаев почва пустоши была теплее воздуха на 1.8 ± 1.0°С, в 32% – на такую же величину – ниже. Из-за более теплой погоды температура почвы пустоши осенью не опустилась ниже 0°С в бесснежный период. А снежный покров мощностью 8 см значительно смягчил резкое снижение температуры воздуха 12 ноября до –11.9°С, поэтому минимальная среднесуточная температура почвы пустоши в этот сезон была выше, чем в сезон 2014/2015 гг. и составила всего –2.7°С.

Рис. 2.

Среднесуточная температура почвы на глубине 2 см на участке с полностью нарушенным напочвенным покровом (“пустошь”) и атмосферного воздуха (данные метеостанции “Мончегорск”, www.rp5.ru) с 22 сентября 2015 г. по 10 июня 2016 г.

Под снегом почва пустоши зимой 2015/2016 гг. продолжала с отставанием на один день слабо реагировать на резкие изменения температуры воздуха. Например, при снижении температуры воздуха до –23°С 28 декабря при мощности снега 33 см температура почвы снизилась только до ‒0.9°С 29 декабря; при температуре ниже –36°С 20 и 21 января и мощности снега 42 см температура почвы с 22 по 26 января была –1.2°С. И с 11 февраля, когда мощность снега достигла 50 см, и до конца апреля температура почвы устойчиво держалась на 0.1°С.

Суточный ход температуры. В сезон 2014/2015 гг. варьирование температуры почвы в течение суток отчетливо проявилось в начале осени до 10 октября (переход через 0°С воздуха) и возобновилось 2 мая в почве пустоши и 6 мая в почве под вороникой (рис. 3, А, 3, Б). Оно обусловлено, главным образом, суточным ходом солнечной активности, снижаясь и повышаясь вслед за высотой солнцестояния и продолжительностью дня. С 10 октября (переход температуры воздуха через 0°С) до 12 ноября (установился постоянный снежный покров) для пустоши и до конца зимы для почвы под вороникой изменение температуры в течение суток определялось температурой воздуха и редко имело определенную приуроченность минимальных и максимальных значений к определенному времени суток. Суточный ход температуры почвы на каждом из обследованных участков имел свои специфические особенности и зависел от времени года и погодных условий. Например, от наличия облачности: в солнечные дни почва лучше прогревается днем и сильнее охлаждается ночью, обусловливая более высокое варьирование температуры в течение суток.

Рис. 3.

Суточный ход температуры почвы пустоши и под вороникой и температуры атмосферного воздуха (данные метеостанции “Мончегорск”, www.rp5.ru): А – с 22 по 27 сентября 2014 г.; Б – с 5 по 10 июня 2015 г.

В почве пустоши максимальная температура и осенью (22 сентября–10 октября) и в весенне-летний (7 мая–10 июня) период в наших исследованиях чаще всего (в 74% случаев осень и 94% – весна-лето) приходилась на 16 ч. Более детальные исследования в ненарушенной экосистеме [10] показали, что максимум температуры поверхности почвы приходится на 13–15 ч, на глубине 5–10 см максимум запаздывает на 2–3 ч. То есть в наших исследованиях в 16 ч фиксировалась близкая к максимуму суточная температура.

В почве под вороникой суточный температурный максимум только в 76% случаев приходился на то же время и в 24% случаев сдвигался на срок позже. Для нее также характерна небольшая разница температуры между 16 и 20 ч.

В осенний период наиболее высокие различия по максимальной суточной температуре почвы между участками – 2.4°С были обнаружены в самом начале исследований – 22 сентября. Затем различия между участками по максимальным дневным температурам почв постепенно снижались, достигая значений, не превышающих 0.5°С к 20 октября.

Начиная с 8 мая, когда почва на обоих участках начала интенсивно прогреваться в дневное время, температура почвы на пустоши в 16 ч была от +1 (24 мая высокая облачность и южный ветер весь предшествующий день) до +10.1°С (31 мая – ночью дул северный ветер, днем было ясно и подул теплый ветер с ВЮВ) выше по сравнению с почвой под вороникой. Различия по температуре почвы между участками в утренние и вечерние часы были значительно ниже.

Минимальная суточная температура почвы на обоих участках, как и в ненарушенных экосистемах [10] в весенне-летний период более четко приходилась на ночные часы – 24 и 4 ч. При этом с 8 по 24 мая минимальная суточная температура почвы под вороникой была на 0.5–2°С ниже по сравнению с почвой пустоши. Возможно, это обусловлено более интенсивным и глубоким промерзанием почвы под вороникой в зимний период (рис. 1). В период с 24 мая по 11 июня почва пустоши ночью была, как правило, от 0.5 до 1.5°С холоднее почвы под вороникой.

Сравнение суточного хода температур почвы с другими метеорологическими данными показало, что почва под вороникой лучше удерживает тепло ночью в малооблачную погоду и/или когда дует северный ветер. Например, 5 июня в отсутствии облаков и при северном направлении ветра температура в почве пустоши ночью снизилась на 10°С (с 13.7 до 3.6°С). За это же время температура почвы под вороникой снизилась всего на 2°С: с 7.1 до 5.1°С. То есть в начале вегетационного периода присутствие даже угнетенного напочвенного покрова, разрастающегося по свежему опаду листьев березы, предохраняет почву от резкого снижения температуры ночью в наиболее неблагоприятные по погодным условиям дни.

Если положение максимальной суточной температуры в почве пустоши в период с 22 сентября по 10 октября (переход через 0°С воздуха), как и в весенне-летний период, довольно четко приходится на 16 ч, то положение минимальной температуры осенью менее определенно. Суточный минимум в почве на обоих участках в осенний период может приходиться, как на ночное, так и на вечернее или утреннее время. При этом различия между вечерними, ночными и утренними часами по температуре почвы на обоих участках сглаживались.

В отличие от весенне-летнего периода, минимальная суточная температура почвы под вороникой в период с 22 сентября по 10 октября была на 0.6 ± 0.6°С выше по сравнению с почвой на пустоши. Наиболее существенное превышение минимальной суточной температуры почвы под вороникой по сравнению с пустошью отмечалось при резком снижении температуры воздуха до отрицательной температуры. При этом почва на обоих участках в этот период удерживают температуру в области положительных значений, и почва под растительностью с наличием свежего опада делает это более эффективно.

С 10 октября (дата перехода среднесуточных температур воздуха через 0^оС) и до 21 октября (дата перехода среднесуточной температуры почв через 0°С) почва под вороникой все сроки наблюдений оставалась в положительной области (+0.1°С), тогда как в почве пустоши в ночные часы температура один день – 16 октября вслед за резким снижением температуры воздуха до –6.5°С впервые снизилась до –1°С.

Поздней осенью с 21 октября по 12 ноября до установления постоянного снежного покрова почва под вороникой также более успешно поддерживала ночную температуру и смягчала первые ночные заморозки в отличие от почвы пустоши. Например, 6 ноября при падении температуры воздуха ночью до –11.4°С, температура почвы под вороникой была на 5.6°С выше по сравнению с пустошью: –1.4 и –7.0°С соответственно.

Суточные амплитуды колебаний температуры характеризуют способность почв поддерживать температурный гомеостаз в течение суток. С 22 сентября по 20 октября 2014 г. и с начала мая (2 мая для пустоши и 6 мая 2015 г. для почвы под вороникой) в течение суток температура почв находились в области положительных температур. Суточная амплитуда температуры в почве пустоши в эти периоды была всегда выше, чем в почве под вороникой (рис. 4). Согласно U-критерию Манна-Уитни, амплитуда температуры почвы пустоши в эти периоды была значимо выше, чем в почве под вороникой. При этом величины суточной амплитуды достоверно (р ≤ 0.01) коррелировали между двумя участками: с 22 сентября по 20 октября r = 0.88 (n = 28); с 6 мая по 10 июля r = = 0.81 (n = 35).

Рис. 4.

Суточная амплитуда температуры почвы пустоши и под вороникой с 22 сентября 2014 г. по 11 июня 2015 г.

В период с 22 сентября по 20 октября суточная амплитуда в почве на пустоши варьировала от 0 до 5°С, в почве под вороникой – от 0 до 2.5°С. Наиболее высокие амплитуды приходились на малооблачные дни с резкой сменой направления ветра в течение суток (2, 3 и 6 октября). Минимальное варьирование – 0°С – в облачные дни с устойчивым южным ветром (13, 17 и 19 октября).

В весенний период в почве пустоши суточное варьирование возобновилось со 2 мая, в почве под вороникой 6 мая. При этом почва на обоих участках очень резко увеличивала суточную амплитуду, и к 9 мая в почве под пустошью она достигла 11°С, а в почве под вороникой – 4°С. Максимальная амплитуда суточной температуры в наших исследованиях пришлась на конец мая: и достигла 14°С в почве пустоши (19, 20, 22, 26 и 31 мая), и 7°С под вороникой (19 и 27 мая). Наибольшую суточную амплитуду температуры в это время обеспечивает меньшая облачность в дневное время и смена направлений ветра в течение суток.

Очень важным для экосистемы является способность почв поддерживать температурный гомеостаз и смягчать ночные заморозки осенью в период между переходом среднесуточных температур почвы через 0°С (21 октября 2014 г.) и формированием постоянного снежного покрова (12 ноября). В этот период было отмечено несколько эпизодов (21–23 октября, 31 октября–1 ноября и 5–8 ноября), когда температура почвы пустоши в ночной период резко опустилась вслед за температурой воздуха. Наиболее высокие амплитуды температуры были отмечены 5–6 ноября: с 0.1°С в 4 утра 5 ноября температура почвы пустоши упала до –7.5°С (абсолютный минимум за период наблюдений) к 8 ч утра 6 ноября. За это время температура почвы под вороникой снизилась только с +0.1 до –1.9°С.

Метеоданные за 2005–2019 гг. Наиболее опасными явлениями для растений являются заморозки в отсутствии снежного покрова, когда его воздействию одновременно подвергается, и надземная часть растений, и корни. Для оценки частоты встречаемости заморозков в отсутствии снежного покрова на обследуемой территории в настоящее время был проведен анализ данных метеостанции Мончегорск (rp5.ru) за 2005–2019 гг. Продолжительность бесснежного периода за эти годы варьировала от 146 (2017 г.) до 200 (2011 г.) дней (среднее – 148 дней). Продолжительность периода без заморозков была от 0 (2019 г.) до 53 (2018 г.) дней (среднее – 27 дней) короче.

Интенсивность осенних заморозков, включая дни с мощностью снега 1 см и менее, варьировала от 0.1 до 11.4°С. Распределение заморозков осенью по интенсивности было следующим: ниже ‒5.0°С – 12%, от –4 до –5°С – 8%, от –3 до –4°С – 12%, от –2 до –3°С – 16%, от –1 до –2°С – 20% и от –0.1 до –1°С – 32% случаев. Самый ранний осенний заморозок был отмечен 26 сентября 2012 г. Наиболее часто заморозки осенью случались в конце октября–начале ноября. Продолжительность заморозков осенью также значительно варьировала: от одного срока наблюдений (то есть ночного) до 22 дней (с 11 октября по 8 ноября 2009 г.).

Весенние заморозки в бесснежный период случались не каждый год. Их не было в 2005, 2015, 2018 и 2019 гг. Весенние заморозки могли особенно негативно сказаться на состоянии растений в 2007, 2010, 2012 и 2016 гг., поскольку им в эти годы предшествовал теплый период и растения уже начали расти. В остальные годы заморозки наступали сразу после схода снега и только задерживали начало вегетации. Весенние заморозки не были продолжительными и наблюдались только в ночное время. Их интенсивность также была низкой: в 46% случаев они были ниже –1°С.

Таким образом, метеоданные за 2005–2019 гг. показали, что угнетенные растения на сильно загрязненной и нарушенной площадке, кроме экстремального загрязнения подвергаются воздействию таких природных стресс-факторов, как периодические весенние и регулярные многочисленные осенние заморозки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рекогносцировочные исследования в течение 263 дней (с 22 сентября по 11 июля) 2014, 2015 и 2016 гг. в экстремально загрязненной и нарушенной экосистеме около медно-никелевого предприятия показали, что горизонт О подзола, состоящий из свежего опада листьев березы под разрастающимся небольшим кустом вороники, значительно отличался по всем температурным показателям от гор. О техногенной пустоши без напочвенного покрова.

Почва под единичной угнетенной куртиной вороники значительно эффективнее предохраняла почву от резких колебаний температуры: разница между абсолютным минимум и абсолютным максимумом за период исследований составила всего 17°С, а максимальная суточная амплитуда – 7°С. В тоже время почва пустоши, где на поверхности находится темноокрашенный горизонт О эродирующегося подзола, характеризовалась значительно более высокими амплитудами температур: около 30°С за весь период исследования и 14°С максимальная суточная.

Соотношение всех определенных температурных показателей почвы между обследованными участками за период исследований не было постоянным и зависело от периода времени. В весенне-летний период, в зависимости от погодных условий (облачность, устойчивость направления ветра) максимальная дневная температура почвы пустоши была от 1 до 10°С, а среднесуточная от 0.9 до 4.1°С выше, чем в почве под вороникой. Значительно более высокая дневная и среднесуточная температура в почве пустоши, преобладающей в структуре экосистемы, могут значительно усилить расход влаги на испарение и способствовать еще большему сдвигу водного режима всей экосистемы в сторону иссушения в летний период. Как показали дополнительные исследования, влажность разрушающегося гор. О пустоши, действительно, значимо, согласно U-критерия Манна-Уитни, ниже по сравнению с гор. О под вороникой.

В осенний период, несмотря на лучший прогрев в летний период, почва пустоши без напочвенного покрова обладает меньшим запасом тепла и быстрее начинает остывать, опускаясь до отрицательной температуры вслед за резкими снижениями температуры воздуха сначала в ночные часы, а затем и в течение суток. Абсолютный температурный минимум (–7.5°С) и минимальная среднесуточная температура (–5.9°С) в почве пустоши пришлись именно на осенний период до формирования постоянного снежного покрова на территории. Одновременные резкие снижения температуры, и воздуха, и почвы на большей части территории экосистемы осенью могут быть губительными для ослабленных сеянцев березы. Периодическое промерзание и оттаивание почвы в этот приод может быть причиной и морозного пучения с выталкиванием материала нижнего минерального горизонта BF и проводящих корней деревьев на поверхность.

Почва под вороникой обладала большим запасом тепла и дольше удерживала температуру почвы в положительной области осенью и значительно смягчала первые ночные заморозки. Дополнительным к солнечной энергии источником тепла здесь могут быть интенсивно протекающие в начале осени процессы разложения скапливающегося здесь опада березы.

В зимний и ранневесенний период снежный покров хорошо защищал почву на обоих участках от интенсивного промерзания. Вместе с тем, почва под вороникой продолжала реагировать на наиболее резкие снижения температуры воздуха в течение всего зимнего периода. Поэтому абсолютный минимум и минимальная среднесуточная температура (–3.9°С) в почве под вороникой были обнаружены 11 января 2015 г., когда температура воздуха несколько дней держалась ниже –30°С. Вероятно, на этом участке экосистемы имел место более интенсивный воздухообмен между почвой и воздухом вследствие меньшей высоты и/или плотности снега. Зависимость интенсивности теплообмена с воздухом [9] от высоты и плотности снега означает, что на отдельных участках этой площадки, особенно в малоснежные зимы, почва может промерзать сильнее, также вызывая морозное пучение и выталкивание проводящих корней растений на поверхность, и последующую гибель дерева.

Таким образом, рекогносцировочные исследования показали, что такие изменения микроклимата, как дополнительное иссушение летом и одновременное резкое снижение температуры, и почвы, и воздуха осенью только из-за отсутствия напочвенного покрова на большей части территории могут быть дополнительным к экстремальному загрязнению и суровым климатическим условиям [10, 14] стресс-факторами для выживших растений и ослабленных сеянцев березы в техногенно нарушенной экосистеме около медно-никелевого предприятия. Они, вместе с экстремальным загрязнением, препятствуют реализации, имеющегося даже в этой сильно нарушенной экосистемы, потенциала к самовосстановлению древесного яруса.