Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа (филиал Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий РАН)
Национальный исследовательский Томский государственный университет
Гидроморфная трансформация лесоболотных экотонов ложбин древнего стока Обь-Томского междуречья
А.А. Беленко
А.А. Синюткина
Аннотация
Представлены результаты изучения гидроморфной трансформации геосистем в зоне влияния болотного массива в пределах ложбины древнего стока Обь-Томского междуречья. Объектом исследования является ключевой участок, расположенный в пределах ложбины древнего стока, освоенной р. Кисловкой (левый приток р. Томи), включающей травяное переходное болото площадью 0,2 км2 и окружающий его лесоболотный экотон. Определение степени гидроморфной трансформации геосистем лесоболотных экотонов выполнено на основе анализа характеристик почвенного профиля, уровня залегания грунтовых вод, видового состава растительных сообществ с использованием метода ландшафтного профилирования. На основании полученных данных полевых исследований на территории ключевого участка выделены зоны потенциального заболачивания, каждой из которых соответствует начальная, средняя и сильная степень гидроморфной трансформации геосистем. Выявлены закономерности изменения свойств почвенного и растительного покрова от уровня грунтовых вод и уклона поверхности. Зона интенсивного заболачивания протяженностью 10 м, соответствующая нижней части склона гривы с уклоном поверхности около 3%, характеризуется высоким уровнем грунтовых вод (0,2 м ниже поверхности) и началом процесса торфообразования (мощность торфа 0,15 м). Зона сопряжения протяженностью 20 м соответствует склону гривы с уклоном поверхности около 5-6%. В пределах зоны происходит понижение уровня грунтовых вод при удалении от болота с 0,8 до 1,15 м. Нейтральная зона соответствует верхней выровненной части гривы с низким уровнем грунтовых вод (более 2,5 м) и уклоном поверхности 1,5%. Полученные данные могут быть использованы для построения карт потенциального заболачивания на основе экстраполяции данных на обширные территории при условии однородности климатических и литолого-геоморфологических условий, ландшафтной структуры и размеров болотного массива.
Ключевые слова: заболачивание, ландшафтное профилирование, уклон поверхности, почвенная катена, Томская область, болото.
Abstract
гидроморфный геосистема лесоболотный экотон
Hydromorphous Transformation of Mire and Forest Ecotones of Ancient Ravines in Ob-Tom Interfluve
A.A. Belenko, A.A. Sinyutkina
Siberian Research Institute of Agricultural and Peat (Branch of Siberian Federal Scientific Centre of Agricultural Biotechnology)
National Research Tomsk State University
Mires are unique natural territorial complex that are widespread around the world and in particular in Western Siberia. Mires have a negative impact on land cover of neighboring territory reflected in the rise in groundwater levels and frequently the development process of waterlogging. A certain amount of information at field of investigation of the state, properties and dynamics of the individual components of mires and forest mire ecotones, landscape structure of wetlands and adjacent forests were got by now. Some studies devoted to identifying patterns of development mire creation process from the geomorphological features of the territory. Studies have private character, and the problem of the transformation of hydromorphic geosystems is best studied for the European part of Russia and the question of assessment of the state and dynamics of forest and mire ecotones geosystems of taiga zone of the West Siberian is still poorly understood. The article presents the results of the study of hydromorphic transformation of geosystems in the zone of influence of mire within the ancient ravines Ob-Tom interfluve. Based on analysis of data of field landscape studies, tachymetry of mire and the neighboring bog forest in boundaries of forest mire ecotones were identified three model site with areas of potential waterlogging depending on the degree hydromorphic transformation of geosystems. The regularities of the changes of the soil and vegetation properties from the level of groundwater and surface slope are found. The zone of intensive bogging length of 10 m, corresponding to the lower part of the slope surface of the mane with a slope of about 3%, is characterized by a high water table (0,2 m below the surface) and the beginning of peat formation process (the thickness of the peat layer is 15 m). Theinteraction zone of a length of 20 m corresponds to the slope of the mane from the surface gradient of about 5-6%. Within the zone, there is decrease of the groundwater level away from the mire to forest from 0,8 to 1,15 m. The neutral zone corresponds to the upper lined part of the mane with a low water table (over 2,5 m) and a slope surface of 1,5°%. The data obtained can be used to construct maps of a potential waterlogging based on data extrapolation to large areas, subject to the uniformity of climatic, lithological and geo - morphological conditions, landscape structure and mire sizes.
Keywords: waterlogging, landscape profiling, surface slope, soil sequence Tomsk Region, mire.
Введение
Болотные геосистемы играют ключевую роль в динамике глобального цикла углерода и оказывают значительное влияние на региональные климатические процессы [3; 22], что делает актуальным изучение состояния, динамики болот, а также гидроморфной трансформации прилегающих к ним территорий в регионах, отличающихся значительной заболоченностью, к каким относится таежная зона Западно-Сибирской равнины. Широкое развитие здесь процессов заболачивания в условиях избыточного увлажнения и практически плоского рельефа, обширность и труднодоступность болот определяют необходимость моделирования и прогнозирования процессов заболачивания с использованием данных дистанционного зондирования Земли, карт четвертичных отложений, геоморфологических карт и последующей экстраполяцией полученных данных полевых исследований типичных участков лесоболотных экотонов на значительные территории. Для построения подобного рода моделей должны быть накоплены фактические данные комплексного полевого изучения гидроморфной трансформации геосистем лесоболотных экотонов, выявлены закономерности развития болотообразовательного процесса в зависимости от геоморфологических особенностей территории, определяющих скорость заболачивания поверхности.
Значительный вклад в исследование процессов заболачивания в зависимости от геоморфологических особенностей территории внесен В.А. Коломыцевым [9; 10], которым введено понятие потенциальной энергии заболачивания. Этот показатель диагностирует возможность развития болотообразовательного процесса в зависимости от уклона поверхности, т.е. чем круче склоны, на которых сформированы заболоченные земли и болота, тем выше энергия этого процесса. В.А. Коломыцев использовал предложенную методику для оценки процессов заболачивания Карелии. В результате исследований им впервые была выявлена зависимость крутизны склонов поверхностей болот от фоновых значений для незаболоченных территорий. Подобные комплексные исследования с использованием методов ландшафтного (физико-географического) профилирования выполнены Г.В. Шипковой, М.И. Мартыновым, Ю.А. Федоровым и др. [21] на территории Полистово - Ловасткой болотной системы (Псковская область) для оценки современного состояния, динамики и процессов, протекающих в экосистеме верхового болота. Профилирование проводилось по классической методике через неровности рельефа, сочетания различных типов почвенных условий и растительных сообществ. На ключевых участках фиксировались состояние и динамика природных комплексов, лесотаксационные характеристики (высота, диаметр, возраст, бонитет, полнота, жизненное состояние и пр.), а также экологические нарушения (ветровал, сухостой, пожар, антропогенные воздействия); далее были выявлены закономерности протекания природных процессов. Кроме того, И.И. Мамай [12] выполнено детальное ландшафтное профилирование болот с целью изучения естественного хода процессов заболачивания и формирования морфологической структуры антропогенно измененных болот Мещеры.
Полевые исследования непосредственно лесоболотных экотонов ограничены и проведены на локальных территориях с использованием частных методов. А.Н. Ивановым [7] выполнены полустационарные исследования в лесоболотных экотонах центральной Мещеры с использованием эколого-фитоценотического подхода. Выявлены зависимости взаимоотношения леса и болота, определяющиеся характером ландшафтной структуры территории, отмечено интенсивное заболачивание территории. Изучение процессов заболачивания территории через оценку почвенного профиля проведено Г.В. Добровольским, Н.О. Ковалевой, И.В. Ковалевым [4], при этом индикаторами интенсивности почвенных процессов являются почвенные новообразования. Н. А Черновой, Н.Н. Пологовой, Н.В. Климовой [20] с использованием эколого-фитоценотического подхода исследованы автоморфные и заболоченные леса в зоне влияния водораздельных болот на суходольные ландшафты центральной части Васюганской равнины. Проведена оценка пространственно-временной динамики лесоболотных экотонов по изменению обилия лесных и болотных видов травянистых сосудистых растений и моховидных, а также по соотношению мелколиственных и светлохвойных пород в составе древостоя. А.М. Перегон [15] выполнены исследования по выявлению закономерностей процессов заболачивания в пределах юга таежной зоны Западной Сибири (подзона мелколиственных лесов) на основе сопряженного анализа геоботанических и почвенных исследований, выявлено влияние почвенных и геоморфологических условий на направленность и интенсивность процесса болотообразования. Изучение процессов гидроморфной трансформации почвенного покрова ложбин древнего стока Обь-Томского междуречья проведено А.Г. Дюкаревым, Н.Н. Пологовой [5]. Таким образом, к настоящему времени накоплен определенный объем информации, характеризующий состояние, свойства и динамику отдельных компонентов болот и лесоболотных экотонов, ландшафтную структуру болот и прилегающих к ним суходольных лесов; отдельные исследования посвящены выявлению закономерностей развития болотообразовательного процесса от геоморфологических особенностей территории. Исследования носят частный характер, а проблема гидроморфной трансформации геосистем является наиболее изученной для европейской части России, и вопрос оценки состояния и динамики геосистем лесоболотных экотонов таежной зоны Западно-Сибирской равнины остается открытым.
Проведенные ранее изыскания с использованием методов геоинформационного моделирования [17] и обзорных ландшафтных исследований [1] позволили выявить значительные различия в степени заболоченности, преобладающих видах, особенностях морфологической структуры болотных фаций и потенциальной опасности заболачивания прилегающих к болотам земель в пределах разных геоморфологических уровней, отличающихся гидрогеологическими и литолого-геоморфологическими условиями, что делает необходимым изучение состояния и динамики болот и лесоболотных экотонов для каждого геоморфологического уровня в отдельности.
Целью данной работы является оценка гидроморфной трансформации геосистем лесоболотных экотонов ложбин древнего стока Обь-Томского междуречья и выявление закономерностей их развития в зависимости от геоморфологических особенностей территории.
Основная часть
Объект
Обь-Томское междуречье в геолого-геоморфологическом отношении является денудационно-аккумулятивной озерно-аллювиальной равниной эоплейстоцен-средненеоплейстоценового возраста. Площадь междуречья в пределах Томской области составляет 3,6 тыс. км2. Водораздельную равнину пересекают ложбины древнего стока средне-поздненеоплейстоценового возраста с высотными отметками 120-140 м, протягивающиеся в виде почти параллельных полос шириной 2,5-10 км с северо-востока на юго-запад и занимающие около 10% площади междуречья (400 км2). Образование ложбин стока происходило в умеренных климатических условиях при массовом таянии ледников, располагавшихся восточнее и севернее территории Томской области. Кратковременные потоки поверхностных вод выработали глубокие ящикообразные русла в эоплейстоценовых отложениях кочковской и нижне-средненеоплейстоценовых отложениях федосовской свит и заполнили их глинисто-песчано-гравийным материалом. Для отложений ложбин стока характерна слоистость, средняя мощность отложений составляет 1015 м [6; 14; 19]. Рельеф ложбин стока неоднороден: наиболее характерны гривы, встречаются плосковолнистые участки. Гривы, как правило, вытянуты параллельно бортам ложбин, высота грив варьирует от 3 до 15 м, ширина от 100 до 1000 м. Понижения между гривами часто заболочены [11]. Климат территории континентальный и формируется под отепляющим влиянием рек Оби и Томи. Среднегодовая температура составляет 0,6°С. Среднегодовое количество осадков - 617 мм, из них 300-350 мм выпадает в жидком виде [8; 11]. Для ложбин стока, сложенных преимущественно песками, отмечено широкое распространение альфегумусовых подзолов, реже дерново - подзолов, обеспечивающих формирование высокобонитетных сосняков [5]. При незначительных размерах и однородной пространственной структуре самих болот, они окружены контрастной полосой лесоболотного экотона, в котором на незначительном протяжении выражены зоны, в разной степени подверженные влиянию болота от гидроморфных хвойных моховых до суходольных мелколиственных злаковых лесов. Высокая контрастность ландшафтной структуры лесоболотного экотона определяется быстрой сменой геоморфологических условий местности, поэтому их можно изучать как наглядные модели, отражающие ход развития болотных геосистем в зависимости от формы минерального дна, уклона местности, положения зеркала грунтовых вод в пределах прилегающих к болоту лесов, состава подстилающих пород.
Объектом исследования является ключевой участок, расположенный в пределах ложбины древнего стока, освоенной р. Кисловкой (левый приток р. Томи), включающей травяное переходное болото площадью 0,2 км2 и окружающий его лесоболотный экотон (рис. 1). Болото является типичным для межгривных понижений ложбин древнего стока и принято за модельный объект для изучения процессов гидроморфной трансформации геосистем лесоболотных экотонов рассматриваемой территории.
Рис. 1. Схема расположения объекта исследования [14]
Методы
Оценка состояния и степени гидроморфной трансформации лесоболотного экотона проведена с использованием метода ландшафтного профилирования. Метод ландшафтного профилирования заключался в выполнении инструментальной нивелирной и тахеометрической съемки поверхности для составления гипсометрической линии профиля и проведения ландшафтных описаний на точках в пределах болот и прилегающих к ним лесах. Ландшафтные исследования на точках выполнены по методикам [2; 16; 18] и включают в себя описание микрорельефа, растительности, определение типа и мощности торфяной залежи, описание почвенных профилей в лесоболотных экотонах с использованием морфогенетического метода. Определение гранулометрического состава выполнено по органолептическим показателям в полевых условиях по методу Н.А. Качинского. Проведена привязка гипсометрического профиля к средней поверхности болота / заболоченного леса и уровню болотных вод, что позволило исключить погрешность, вносимую высокими значениями колебаний высот микрорельефа, характерными для большинства гидроморфных геосистем. Выявление средней поверхности болота выполнено, согласно наставлениям гидрометрическим станциям и постам [13], с помощью метода линейной таксации на каждой пикетной точке нивелирного хода. Построение гипсометрического профиля минерального дна болота проведено с использованием данных зондировки торфяной залежи на каждой пикетной точке гипсометрического профиля. Уклон поверхности / минерального дна болота рассчитан на основе инструментальной съемки рельефа и определялся как 1§ а х 100%, где а - угол наклона поверхности / минерального дна болота.
Определение степени гидроморфной трансформации геосистем лесоболотных экотонов выполнено на основе анализа характеристик почвенного профиля - глубины и степени проявления силикатных форм железа как показателей постоянного переувлажнения в зоне влияния болотного массива, индикация наличия и форм типоморфных элементов, в частности соединений железа и марганца, выделяемых среди других элементов как наиболее чутко реагирующие на изменения окислительно-восстановительных условий, которые в свою очередь являются следствием влажности почвы; уровня залегания грунтовых вод, видового состава растительных сообществ. На основании используемых методик и полученных полевых данных на территории ключевого участка выделены зоны потенциального заболачивания, каждой из которых соответствует начальная, средняя и сильная степень гидроморфной трансформации геоситем.