В последние 20-25 лет изучение техногенных и природно-антропогенных водно-тепловых и криогенных процессов и явлений в сельскохозяйственных районах Центральной Якутии проводились узким кругом исследователей [1-5, 8, 10]. В большинстве случаев развитие этих экзогенных процессов представляют опасность для установившегося состояния, устойчивости и функционирования криогенных сельскохозяйственных ландшафтов. Однако эта проблема далеко не решена в условиях современных изменений климата, гидрологических условий и усиления степени антропогенных воздействий.
В настоящей статье представлены новые данные восьмилетних наблюдений (2003-2010 гг.). Проведен их совместный анализ с ранее полученными научными материалами за 1989-2002 гг.
Методика исследования
В 1989-2010 гг. Институтом мерзлотоведения СО РАН проведен мониторинг деятельного слоя, криогенных явлений и поверхностных горизонтов многолетне-мерзлых пород (ММП) с повторно-жильными льдами (ПЖЛ) в таежных, аласных и долинных естественных и агроландшафтах в различных физико-географических районах Якутии. Эта система мониторинга включает 6 полигонов и 36 экспериментальных площадок.
В 1989-1996 гг. проводились сезонные (с мая по сентябрь), а с 1996 г. круглогодичные режимные наблюдения за мерзлотно-гидротермическим и геокриологическим состоянием сельскохозяйственных ландшафтов. Определялись гранулометрический состав, строение, криотекстура, водно-физические свойства, температура и влажность (льдистость) пород, динамика и мощность сезонно-мерзлого слоя (СМС) и сезонно-талого слоя (СТС), пространственно-временные масштабы реакции и деградации верхних горизонтов ММП, развитие криогенных процессов и явлений.
Объекты исследования: типичные и уникальные мерзлотные природные и антропогенные комплексы (таежные, аласные, долинные ландшафты, а также природно-технические гидромелиоративные системы).
Методика исследования водно-тепловых и криогенных процессов подробно изложена в работах [4, 6, 7, 9].
Результаты исследований
По результатам проведенных в 1989-2010 гг. исследований выявлены и оценены ранее малоизученные геокриологические, ландшафтные, почвенные и геокриологические особенности.
Интенсификация обмена энергии (тепла) и воды в деятельном слое пород ледового комплекса при современном изменении климата и нарушении поверхности. За последние 15-20 лет (1989-2010 гг.) резкие изменения метеоусловий по сравнению с типичными 1965-1980 гг. в сочетании с антропогенными факторами оказали сильное влияние на криогенное строение, водно-теплофизические свойства, гидротермический режим деятельного слоя (ДС) почвогрунтов, криогенные процессы и явления, а также на тепловое состояние верхних горизонтов многолетнемерзлых толщ.
В 1989-2010 гг. в естественных и антропогенных ландшафтах произошло увеличение тепло- и влагосодержания СТС в 1,2-2,3 раза. Среднеквадратичное отклонение мощности СТС составило от 0,12 до 0,16 м, коэффициент вариации - от 6,8 до 9,0 (таблица). Внутрисезонные величины влажности и влагозапасов верхнего корнеобитаемого слоя (0-0,5 м) варьируют в 3-10 раз, СТС - 1,5-2,5 раза.
Статистические характеристики глубины изменения сезонного протаивания
(от средней) на полигоне Кердюген за 1989-2010 гг.
|
Луг |
Залежь |
Лес |
Просадка |
|
|
Минимальная |
2,04 |
1,83 |
1,31 |
1,39 |
|
Средняя |
2,40 |
2,07 |
1,57 |
1,55 |
|
Максимальная |
2,64 |
2,27 |
1,82 |
1,73 |
|
Квадратичное отклонение |
0,164 |
0,148 |
0,141 |
0,118 |
|
Коэффициент вариации |
6,8 |
7,1 |
9,0 |
7,6 |
В эти же годы под влиянием резких изменений климата произошла активизация процессов криогенного неравномерного перераспределения влаги и тепла по профилю СТС и площади участков, что является также одной из основных особенностей обмена энергии и воды в деятельном слое как естественных, так и антропогенных геосистем.
Реакция параметров мерзлотно-гидротермического состояния межаласных агроландшафтов на современное потепление климата по данным мониторинга (1989-2010 гг.). В настоящее время ненарушенные естественные ландшафты и их компоненты (почвы, СТС, ММП, ПЖЛ и т.д.)
находятся в относительно устойчивом состоянии. В 1989-2010 гг. на естественных ландшафтах зафиксированы незначительные изменения не только параметров деятельного слоя, но и состояния мерзлотных почв и развития криогенных процессов и явлений в пределах их естественной вариации.
В то же время на сельскохозяйственных ландшафтах до глубины 10 м температура ледового комплекса (ЛК) повысилась на 0,5-2 °С. На ключевом полигоне Дыргыабай (Майя) на правобережье реки Лены за 17-20 лет кровля многолетней мерзлоты опустилась от 0,3 до 5 м и более при разнообразном сельскохозяйственном землепользовании (пашня, залежь, пастбище) (рис. 1). Тренды их оттаивания составили от 0,05 до 0,16 м/год.
Рис. 1. Динамика осадки поверхности почвы и понижение кровли пород ледового комплекса
на площадках 2 и 4 полигона Дыргыабай (1992-2010 гг.)
За 1985-2010 гг. на пахотных землях полигона Кердюген на высокольдистой высокой террасе на левобережье р. Лены произошли более умеренные изменения параметров СТС и ЛК, особенно при этом тренд деградации ледового комплекса весьма разнообразен и составляет от 0,001 до +0,008 м/год. В последние два года на полигонах Кердюген и Майя установлено резкое увеличение суровости мерзлотных условий. Уменьшились мощности СТС, снизились температуры грунтов, произошло поднятие кровли ММП с ПЖЛ и затухание процесса деградации (оттаивания) пород ледового комплекса на избыточно увлажненных и зарастающих густыми травами и кустарниками участках поля и залежи (заброшенной в 1996 г. пашни) в условиях продолжающегося заметного потепления климата. Это связано с суровостью климата почв в зимнее время, в первую очередь малоснежностью в начале зимы, и промерзанием ранее протаявшего слоя.
Установлены ранее мало изученные закономерности (циклические и трендовые) в динамике глубины сезонного протаивания, криогенных процессов и колебания кровли ММП при скачкообразном потеплении климата и усилении антропогенных воздействий. При общей положительной тенденции многолетнего оттаивания ММП отмечаются более короткопериодные ритмы, отражающие циклы в пределах 3-4 года, отрицательного и положительного характера, т.е. опускание и поднятие кровли многолетней мерзлоты (см. рис. 1).
Выявлена критическая ситуация в верхнем горизонте ледового комплекса - мерзлотных природно-антропогенных геосистемах в слое годовых теплооборотов (до 10-15 м глубины) - с потерей ресурсов холода и объема подземных льдов от 5 до 50 % за последние три десятка лет при нынешнем потеплении климата [5]. Эти особенности являются результатом ответной реакции геосистем ледового комплекса на современные изменения климата и антропогенные воздействия.
Мониторинговые исследования последних лет показали, что в периоды ощутимых климатических изменений в антропогенных ландшафтах обострение геокриологического состояния весьма ощутимо. Это приводит к выводу сельскохозяйственных площадей из хозяйственного оборота (рис. 2).
Рис. 2. Карта степени остроты состояния агроландшафтов и их пораженности криогенными процессами на массиве Меняйка (Табагинский научный стационар ИМЗ СО РАН, 2010 г.)
Условные обозначения:
1 - удовлетворительное; 2 - напряженное; 3 - критическое; 4 - кризисное; 5 - бедственное; 6 - ПЖЛ мощностью до 10 м; земляная жила; 8 - подземные пустоты; 9 - термокарстовые просадки; 10 - просадки смешанного происхождения; 11 - морозобойные трещины;
12 - термокарстово-эрозионные образования; 13 - западинно-бугристый микрорельеф
Выводы
Опасные геокриологические процессы приводят к коренному изменению мерзлотного и вещественно-грунтового состава, строения и свойств деятельного слоя пород ледового комплекса и деградации сельскохозяйственных ландшафтов с образованием термопросадочного полигонально-бугристого микрорельефа.
Выявлена преддеградационная ситуация в верхнем горизонте пород ледового комплекса в агроландшафтах - (до 10-15 м глубины) с потерей ресурсов холода и объемов подземного льда (от 5 до 50 %) при повышении их средней годовой температуры от 0,5 до 2,0 °С и оттаивании ММП мощностью от 0,5 до 3,7 м за последние три десятилетия при нынешнем потеплении климата. При этом наименьшей устойчивостью к различным видам техногенного воздействия обладают высокотемпературные мерзлые породы (-0,5...-1,5 °С) с мощными ПЖЛ на межаласных ландшафтах.
Выявлена относительно слабая реакция деятельного слоя почвогрунтов и верхнего горизонта пород ЛК на естественных ландшафтах на современное изменение климата.
Мерзлотные земли являются главной стратегической основой для развития сельского хозяйства и улучшения благосостояния населения Арктики, Субарктики и Севера. Необходимо учитывать, что поверхностный слой многолетнемерзлых пород является средой для развития наземных экосистем и криогенных ландшафтов, социально-экономических коммуникаций общества и поэтому имеет наибольшую значимость для изучения.
Список литературы
- Босиков Н.П. Влияние антропогенных факторов на интенсивность криогенных процессов // Использование и охрана сельскохозяйственных ресурсов Якутии. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1988. - С. 11-17.
- Гаврильев П.П. Термопросадки и деформации поверхности поля при мелиорации долины р.Амги // Криогидрологические исследования. - Якутск: Изд-во ИМ СО АН СССР, 1985. - С. 148-161.
- Гаврильев П.П. О развитии криогенных процессов и устойчивости агроземель в Якутии //Закономерности развития и дифференциации мерзлотных ландшафтов /Под ред. Н.П.Босикова, А.Н.Федорова. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 1993. - С. 98-110.
- Гаврильев П.П., Угаров И.С, Ефремов П.В. Мерзлотно-экологические особенности таежных агроландшафтов Центральной Якутии. - Якутск: ИМЗ СО РАН, 2001. - 196 с.
- Гаврильев П.П., Угаров И.С., Ефремов П.В., Иванова Р.Н. Мерзлотно-экологический мониторинг агроземель в Центральной Якутии // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. - Т. 12, № 1(4). - С. 998.
- Методические рекомендации по стационарному изучению криогенных физико-геологических процессов / под редакцией С.Е. Гречищева, В.Л. Невечери. - М.: ВСЕГИНГЕО, 1979. - 72 с.
- Павлов А.В. Энергообмен в ландшафтной сфере Земли. - Новосибирск: Наука, 1984. - 256 с.
- Угаров И.С., Мандаров А.А. Орошение дождеванием кормовых культур в Центральной Якутии. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2000. - 127 с.
- Фельдман Г.М. Термокарст и вечная мерзлота. - Новосибирск: Наука, 1984. - 254 с.
- Федоров А.Н., Варламов С.П., Ботулу Т.А. Мерзлотные ландшафты Якутии. - Новосибирск: Наука, 1989. - 170 с.