Thermal regime of peatlands in Western Siberia near the southern border of the permafrost

Толық мәтін

Введение

Одной из наиболее актуальных геоэкологических проблем является деградация многолетнемерзлых пород (ММП) под влиянием современного потепления климата. В настоящее время температура ММП в полярных и горных районах повышается в среднем на 0,29 °С за 10 лет [1]. Вследствие потепления может нарушится устойчивость зданий и инженерных сооружений на многолетнемерзлых грунтах, что вызовет огромный экономический ущерб, измеряемый триллионами рублей [2].

Разработка мер по предотвращению ущерба требует прогноза реакции ММП на изменение климата. Точность прогноза зависит от количества и качества исходной информации о температурном режиме грунтов. В научной литературе преобладают оценки и расчеты, но явно недостаточно реальных наблюдений за деградацией ММП в различных биоклиматических зонах [3]. Особенно важна оценка температурного режима мерзлых пород там, где они наиболее неустойчивы и подвержены климатическим изменениям, – вблизи южной границы распространения. На южной границе островной криолитозоны мерзлота приурочена исключительно к торфяным массивам [4], которые, таким образом, являются своеобразными «хранителями» мерзлоты. Под влиянием потепления климата в настоящее время происходят изменения их морфологии, гидрологии, экологии и биогеохимии [5].

В Западной Сибири сосредоточены крупнейшие торфяные массивы на Земном шаре. В полярных и приполярных районах Западной Сибири торфяники являются одним из преобладающих типов болот и играют большую роль в консервации углерода, регулировании выбросов парниковых газов, сохранении биоразнообразия и обеспечении стабильности экосистем. Однако сведения о температурном режиме и устойчивости мерзлых торфяников Сибири немногочисленны. В обобщающей оценке современной деградации мерзлоты в Западном секторе Российской Арктики [3] использованы данные только двух площадок мониторинговых геокриологических наблюдений, расположенных в районе Надыма и Тарко-Сале, а более южные участки остались вне рассмотрения.

С 2019 г. проводится оценка температурного режима торфяников на одном из самых южных участков распространения мерзлоты в Западной Сибири – в районе природного парка Нумто (Ханты-Мансийский автономный округ – Югра, 63°10'–64°20’ с.ш., 70°00’–71°35’ в.д.). Исследуемая территория находится в зоне спорадического и островного распространения ММП, мощность которых не превышает 10–20 м [6]. Отличительной особенностью ландшафтов парка является присутствие здесь бугристых мерзлых торфяников тундрового типа, своеобразного анклава тундровых экосистем в таежной зоне, образующих комплексы площадью до нескольких десятков км² [7]. В 1960–1970-х гг. здесь действовал болотный пост Государственного гидрологического института, исследовавший, в числе прочего, температурный режим и глубину сезонного протаивания мерзлых торфяников [8, 9]. Среди ландшафтов парка Нумто олиготрофные плоско- и крупнобугристые торфяники наиболее неустойчивы к повышению температуры воздуха [10]. В настоящее время здесь отмечена активизация термокарста, в особенности в годы с теплыми и влажными летними сезонами [11]. На мерзлых буграх проявляются различные признаки деградации: пятна оголенного торфа, полигональные трещины-разрывы, термокарстовые просадки, оползневые процессы [12, 13].

Цель работы – оценка устойчивости мерзлых торфяников в южной части зоны островного распространения ММП. Задачи включали в себя:

Поскольку обследованные торфяники типичны для северной тайги Западной Сибири, оценка их температурного режима и устойчивости может способствовать прогнозированию масштабных изменений ландшафтов, гидрологического режима, биоразнообразия и углеродного баланса.

Материалы и методы

Для определения температурного режима были выбраны участки, различающиеся по морфологическим особенностям торфяников, типу растительности и интенсивности экзогенных процессов. На плоскобугристых торфяниках, крупнобугристых торфяниках и на отдельно стоящих буграх пучения было пробурено девять скважин глубиной 10 м. В скважинах были установлены логгеры – устройства для автоматического измерения, хранения и передачи данных за длительный период времени. Определение температуры грунта проводились с применением системы автоматического мониторинга «САМ-Н» (ИМКЭС СО РАН, г. Томск) [14]. Погрешность калибровки датчиков не более ±0,1 °C. Датчики, установленные с шагом 0,5 м до глубины 2 м и далее через 1 м, были запрограммированы на четыре измерения в сутки. В пяти скважинах измерения проводились начиная с 2019 г., в остальных – с 2021 г. В наиболее типичных ландшафтно-геокриологических условиях – на обширном торфяном массиве, сочетающем плоскобугристые мерзлые торфяники, крупные бугры и немерзлые мочажины, проводилось определение глубины сезонного протаивания на площадке, оборудованной в соответствии с международной методикой циркумполярного мониторинга деятельного слоя CALM [15]. Размеры площадки составляют 100×100 м, расстояние между точками измерения сезонно-талого слоя (СТС) – 10 м. Измерения СТС проведены металлическим щупом диаметром 8 мм, что соответствует ГОСТ 26262-2014 [16].

Поскольку небольшой (2019–2022 гг.) период наблюдений не позволяет достоверно оценить тренд межгодового изменения температуры ММП, для прогноза устойчивости были привлечены: 1) результаты многолетних наблюдений на ближайшей метеостанции Юильск (температура атмосферного воздуха, количество осадков, глубина снежного покрова); 2) результаты определения температуры поверхности Земли (Land Surface Temperature, LST), полученные в процессе обработки тепловых каналов спутниковых снимков MODIS за 2000–2022 гг. [17] Был использован продукт MOD11A1 V6 с пространственным разрешением 1 км, включающий значения по серии восьмидневных временных композитов. LST даёт представление о температуре земной поверхности на границе взаимодействия с атмосферой, включая тепло как от открытой почвы, так и от растительности [18]. Данные о температуре поверхности, полученные с использованием снимков MODIS, коррелируют с данными наземных наблюдений на метеостанциях с коэффициентами корреляции более 0,9 [19], что позволяет использовать этот показатель при оценке климатических изменений.

Для прогноза возможного таяния ММП были подсчитаны климатические параметры и индексы, которые, согласно [20], могут служить маркерами состояния ММП и геокриологических границ: годовые суммы положительных среднесуточных температур воздуха или поверхности почвы (thawing degree-days – TDD); годовые суммы поверхности почвы либо воздуха за период с отрицательными температурами (freezing degree-days, FDD – FDD). Затем был вычислен коэффициент морозности воздуха (Fn) [21].

$\text{Fn}=\frac{\sqrt{\left|FDD\right|}}{\sqrt{\left|FDD\right|}+\sqrt{TDD}}$.

При расчете индексов суммы отрицательных температур приводятся к положительным значениям. Также был посчитан N-фактор (температурный индекс поверхности) – отношение положительных и отрицательных температур на поверхности почвы к аналогичным суммам температур воздуха за тот же период [22].

Результаты и обсуждение

Результаты измерения температуры грунтов в трех скважинах, характеризующих разные торфяники – плоскобугристые, крупнобугристые и отдельно стоящие бугры пучения представлены в таблице. Среднегодовая температура поверхностного слоя обследованных торфяников была положительная во всех обследованных скважинах и варьировала от +0,8 до +1,3 °С. Мерзлота считается деградирующей, если хотя бы в части разреза (обычно верхней) среднегодовая температура пород стала положительной [23]. Таким образом, отмеченная различными исследователями активизация экзогенных процессов на обследованном участке – термокарста, оползней, эрозии на берегах озер [11–13], вызвана ростом температуры поверхностного слоя торфяников и переходом ее в положительный диапазон.

Глубина сезонного протаивания на плоскобугристых торфяниках изменялась от 0,4 до 1,0 м. В 1960–1970 гг. глубина сезонного протаивания торфяников в районе оз. Нумто, по данным [8, 9], составляла 0,4–0,6 м. На площадке CALM средняя глубина протаивания варьировала в разные годы от 0,56 до 0,67 м в зависимости от температурного режима воздуха – наименьшее значение отмечено в холодный 2021 г., в теплый 2022 г. наблюдался рост глубины СТС. На крупнобугристых торфяниках и буграх пучения протаивание интенсивнее: кровля ММП залегает на глубинах от 1,0 до 2,0 м. Таким образом, на фоне потепления климата наблюдается тенденция увеличения глубины протаивания.

Особенности теплового режима характеризуют величины N-факторов, максимальные значения которых отмечены на крупнобугристых торфяниках, а минимальные – на плоскобугристых (таблица). Крупные бугры пучения сильнее прогреваются летом, поскольку влагонасыщенность торфа в них меньше по сравнению с плоскими участками, а растительный покров местами деградировал и слабее затеняет поверхность. Вместе с тем они сильнее охлаждаются зимой, поскольку маломощный снежный покров не препятствует промерзанию.

 

Таблица. Показатели температурного режима бугристых торфяников островной криолитозоны Западной Сибири (природный парк Нумто, 2019–2022 гг.)

Table. Indicators of the temperature regime of palsa mires in the island permafrost zone of Western Siberia (Numto Nature Park, 2019–2022)

Глубина, м Depth, m	Участки и показатели/Sites and indicators
	1			2			3
	t ср (mean), °С	∑t>0 °C		t ср (mean), °С	∑t>0 °C		t ср (mean), °С	∑t>0 °C
0	0,8	1609	–1331	1,3	2410	–1929	1,3	1040	–560
0,5	1,1	1215	–853	2,3	1583	–749	–0,4	6	–153
1	1,3	837	–391	–0,3	106	–211	–0,4	0	–144
1,5	0,9	347	–18	–0,3	0	–120	–0,3	0	–96
2	–0,1	0	–29	–0,3	0	–109	–0,2	0	–80
3,0	–0,2	0	–56	–0,3	0	–113	–0,2	0	–75
4,0	–0,2	0	–78	–0,4	0	–130	–0,1	0	–43
5,0	–0,2	0	–81	–0,3	0	–119	–0,1	0	–49
6,0	–0,3	0	–111	–0,3	0	–124	–0,1	0	–35
7,0	–0,3	0	–102	–0,3	0	–127	–0,1	0	–43
8,0	–0,3	0	–123	–0,3	0	–120	–0,1	0	–42
9,0	–0,3	0	–110	–0,4	0	–129	–0,1	0	–46
10,0	–0,3	0	–105	–0,4	0	–134	–0,1	0	–48
N-фактор/Т-factor		0,83	0,52	–	1,24	0,75	–	0,54	0,22

1 – бугор пучения/pingo; 2 – крупнобугристый торфяник/high-mound palsa mire; 3 – плоскобугристый торфяник/flat-mound palsa mire.

 

При анализе температурного режима мерзлоты обычно используют данные о температуре на глубине годовых нулевых амплитуд, где сезонные изменения отсутствуют либо крайне малы (<0,1 °C) [1]. В районе исследований температура ММП на глубине нулевых амплитуд (10 м) изменялась на плоскобугристых торфяниках в пределах –0,1…–0,4 °С, на буграх пучения –0,2…–0,5 °С. Близкие к 0 °С температуры ММП отмечены на низких торфяных грядах, окруженных болотами и озерами. Здесь сказывается отепляющее действие обводненных участков. Средний, наиболее часто встречающийся диапазон температур (–0,3…–0,2 °С) наблюдается на плоскобугристых торфяниках и в бугре пучения с небольшим (0,2–0,3 м) слоем деградирующего торфа на вершине. Наиболее низкая температура (–0,4…–0,5 °С) измерена в скважине, расположенной на многолетнем бугре пучения с мощным (1,6 м) слоем торфа. При этом наиболее низкие значения –0,5 °C наблюдались редко, преобладали значения –0,4 °С. В аналогичных торфяниках стационара Надым с деградирующей мерзлотой наблюдались близкие температуры: на крупнобугристом торфянике –0,3 °C, в других ландшафтах –0,2…0 °C [3].

По данным болотного поста ГГИ, в 1960–1970-х гг. в холодный период года слияние слоя сезонного промерзания с многолетней мерзлотой происходило обычно во второй–третьей декаде января [9]. По нашим наблюдениям, слияние сезонной и многолетней мерзлоты в настоящее время наблюдается не повсеместно, а преимущественно в плоскобугристых комплексах. Распространение ММП несливающегося типа, когда не происходит слияния сезонной и многолетней мерзлоты в холодный период года, является одним из признаков неустойчивого состояния криолитозоны. На обширных массивах плоскобугристых торфяников парка Нумто мерзлота, как правило, сливающаяся. Промерзание идет значительно быстрее, чем указано в [9]. Переход температур в отрицательный диапазон в профиле плоскобугристых торфяников наблюдался в различные сроки – от первой декады ноября до начала января. Быстрое промерзание, вероятно, связано с относительно низкой влажностью торфа и малым количеством снега в начале зимы. Там, где торфяники чередуются с талыми мочажинами, формируются участки несливающейся мерзлоты. Так, на площадке CALM площадь сливающихся ММП составляет приблизительно одну треть (32–35 %). Образование несливающейся мерзлоты также отмечено на бугре пучения, где кровля ММП опустилась на глубину 2,0 м. Расширение участков с мерзлотой несливающегося типа – характерная реакция торфяников на современные изменения климата [24]. Широкое распространение несливающейся мерзлоты на обследованной территории является очевидным признаком неустойчивого состояния ММП.

Неоднократно отмечено, что современные климатические изменения вызывают рост температуры ММП [1–3]. В зоне островной мерзлоты на глубине нулевых амплитуд температура грунта увеличивается со средней скоростью 0,2 °C за 10 лет [1]. В скважинах температура в период наблюдений (2019–2022) оставалась относительно стабильной, межгодовая изменчивость температуры не превышала 0,1 °С (рис. 1). Причинами варьирования являются погодичные флуктуации температуры воздуха и количества снега. Так, на плоскобугристом торфянике, на котором размешена площадка CALM, в 2022 г., по сравнению с 2020–2021 гг., произошло снижение температуры ММП от –0,1 до –0,2 °С, как результат уменьшения высоты снежного покрова.

 

Рис. 1. Температурный режим грунта в скважинах: а) бугор пучения; б) крупнобугристый торфяник; в) плоскобугристый торфяник 
Fig. 1. Temperature regime of the soil in boreholes: a) pingo; b) high-mound palsa mire; c) flat-mound palsa mire

 

Небольшая продолжительность периода наблюдений не дает возможность достоверно определить тренд изменения температуры ММП. Поэтому целесообразно рассмотреть долгосрочные ряды наблюдений за температурой земной поверхности (LST) и приземного слоя атмосферного воздуха. Изменения средней приземной температуры воздуха в местах расположения наблюдательных геокриологических скважин аналогичны изменениям температуры вечной мерзлоты по направлению и порядку величины, поэтому могут быть использованы для прогноза динамики температурного режима ММП [1].

Обработка результатов метеонаблюдений и данных LST показала, что в районе исследований наблюдается устойчивый положительный тренд роста температур воздуха и поверхности грунта. Рост среднегодовой температуры воздуха в 2000–2022 гг. составил 0,76 °С/10 лет. Это значение примерно в 1,5 раза больше, чем средний темп роста температуры воздуха в России, составляющий 0,49 °С/10 лет [25]. Наблюдается увеличение периода с положительными температурами воздуха. Если в 1970-х гг. он продолжался 135–140 дней – с середины мая до начала октября, то в 2020-х гг. его продолжительность увеличилась до 160–165 дней – с начала мая до середины октября. Температура поверхности возрастала слабее, в среднем на 0,42 °С/10 лет (рис. 2). Также наблюдается рост количества осадков, в том числе снега. Глубина снежного покрова возрастает со средней интенсивностью 2,5 см/10 лет. Рост глубины снежного покрова является фактором, ослабляющим зимнее промерзание и усиливающим риск деградации ММП [26].

Исследование взаимосвязи климатических показателей и распространения многолетней мерзлоты показало, что южная граница криолитозоны маркируется средними значениями климатических показателей: TDD≤1353 °С⋅сут, FDD≤–2442 °С⋅сут, Fn>0,57 [19]. Подсчеты аналогичных показателей для района исследований за 2019–2022 гг. выявили следующие значения: TDD=1848 °С⋅сут, FDD= –2547 °С⋅сут, Fn=0,54. Таким образом, только коэффициент FDD соответствует климатическим критериям, при которых возможно сохранение мерзлоты. Вероятно, это связано с довольно холодными зимами в условиях континентального климата. Остальные показатели соответствуют показателям территорий, где ММП отсутствуют. Исходя из положительного тренда температуры воздуха, таяние ММП в обследованном районе – только вопрос времени. В особенности интенсивным таяние может быть в годы с многоснежными зимами и высокими температурами воздуха в летний период.

Основываясь на моделировании теплопроводности почвы, M. Смит и Д. Райзборо [27] выявили, что на южной границе криолитозоны мерзлые торфяники сохраняются, если среднегодовая температура воздуха не превышает +1,5 °C. В этом случае поверхностный слой грунта имеет температуру на уровне 0 °C. Применение порогового уровня температуры воздуха +1,5 °C дает простой метод оценки максимальной продолжительности существования ММП под торфяниками при потеплении климата [28]. Простые арифметические подсчеты показывают, что, если тренд роста температур воздуха на последние два десятилетия (0,76 °С/10 лет) сохранится на прежнем уровне, пороговый уровень +1,5 °С на обследованной территории будет достигнут приблизительно через 50 лет.

 

Рис. 2. Среднегодовая температура воздуха (а) и температура поверхности Земли (LST) в летний период (б); 2000–2022 гг. 
Fig. 2. Annual air temperature (a) and Land Surface Temperature – LST (b) for the summer period; 2000–2022

 

При среднем уровне потепления 0,5°/10 лет, типичном для России, период существования обследованных мерзлых торфяников составит около 70 лет. Прогнозное моделирование температуры мерзлых торфяников в районе Надыма также показало, что при сохранении тенденции потепления будет происходить постепенное таяние ММП [29]. Прогнозируемое таяние требует принятия мер для предотвращения негативных последствий, таких как проведение геотехнического мониторинга, искусственное охлаждение оснований и фундаментов инженерных сооружений, внедрение новых методов строительства.

Заключение

Исследование температурного режима грунтов и метеорологических показателей на юге зоны островного распространения ММП в Западной Сибири выявило многочисленные предикторы таяния мерзлоты. Среднегодовая температура поверхностного слоя торфа была положительная во всех обследованных скважинах (+ 0,8…+1,3 °С). Температура торфяников на глубине нулевых теплооборотов близка к 0 °С, преобладает диапазон температур от –0,2 до –0,3 °С. Широко распространены ММП несливающегося типа, то есть в почве сформировался слой, не замерзающий в течение года. Значения коэффициентов протаивания TDD и морозности воздуха Fn соответствуют значениям в области с немерзлыми грунтами. Наблюдаются положительные тренды температуры воздуха, температуры поверхности Земли (LST) и высоты снежного покрова. За 2000–2022 гг. приземная температура воздуха в среднем увеличивалась на 0,76°С/10 лет. Температура поверхности Земли (LST) в летний период возрастала в среднем на 0,42 °С/10 лет. При сохранении тенденции к росту температур приземного слоя воздуха мерзлые торфяники в южной части зоны островного распространения ММП растают через 50–70 лет.

 

Благодарности: Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ 23-27-00366 «Современная динамика мерзлых торфяников на южной границе распространения в Западной Сибири».

Acknowledgements:

This research was supported by the Russian Science Foundation, Project no. 23-27-00366 “Contemporary dynamics of permafrost peatlands at the southern boundary of distribution in Western Siberia”.

Авторлар туралы

Dmitrii Moskovchenko

Tyumen Scientific Center SB RAS

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: moskovchenko1965@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6338-7669

Dr. Sc., Principal Researcher

Ресей, 86, Malygin street, Tyumen, 625026

Anatoly Gubarkov

Industrial University of Tyumen

Email: agubarkov@rambler.ru

Cand. Sc., Senior Researcher

Ресей, Volodarsky street, Tyumen, 625000

Artur Fakhretdinov

Tyumen Scientific Center SB RAS

Email: arthurfahretdinov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8975-9771

Junior Researcher

Ресей, 86, Malygin street, Tyumen, 625026

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар