Статья: История растительности бассейна озера Ильчир (Восточный Саян) за последние 8500 лет

История растительности бассейна озера Ильчир (Восточный Саян) за последние 8500 лет

Е.В. Волчатова, Е.В. Безрукова, Н.В. Кулагина, Е.В. Кербер, С. А. Решетова, А. А. Щетников, И. А. Филинов

Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, Иркутск, Россия 2Институт земной коры СО РАН, Иркутск, Россия 3Иркутский научный центр СО РАН, Иркутск, Россия

Аннотация

растительность озеро климат

Результаты палинологического анализа донных отложений озера Ильчир стали основой реконструкции растительности и климата в котловине и бассейне озера, понимания процесса развития природной среды района в среднем-позднем голоцене. Высокое временное разрешение и надежная возрастная модель новой палинологической записи являются уникальными для Восточного Саяна, позволяя проводить внутри- и межрегиональные корреляции изменений природной среды для понимания возможных причин палеоэкологических сдвигов.

Ключевые слова: спорово-пыльцевой анализ, растительность, климат, голоцен.

Abstract

Vegetation history in the lake Ilchir basin (east sayan mountains) for the last 8500 years

E.V. Volchatova, E.V. Bezrukova, N.V. Kulagina, E.V. Kerber1, S.A. Reshetova, A.A. Shchetnikov, I.A. Filinov

Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS, Russia, Irkutsk

Institute of the Earth's Crust SB RAS, Russia, Irkutsk

Irkutsk Scientific Center, SB RAS, Russia, Irkutsk

The pollen record presented here is the first continuous and well-dated records from Lake Ilchir covering the last 8490 cal years, allowing detailed reconstruction of vegetation and environmental dynamics in the region.

The results of the pollen analysis and pollen-based vegetation and climate reconstruction suggest that grass-dominated meadow communities prevailed in the lake basin from 8490 to 6000 kyr BP. The absence of larch and fir stomata in the sediments suggests the growth of trees rather far from the Lake shore. Probably, the climate in the basin was moderately cold with insufficient moisture. The high Scots pine pollen percentage in comparison with surface pollen spectra suggests a higher than today position of the upper boundary of the pine in response of higher-than-present summer insolation.

Between 6000-3700 kyr BP the climate was characterized by warmer than modern winter seasons and high snow cover, which did not allow the soils to freeze and supported the development of fir in the Ilchir Lake basin. However, the increased abundance of larch pollen and stomatal cells of its needles in sediments suggest an increased role of larch in the composition of local vegetation and / or its approach to the lake shoreline. Expansion of the areas of larch means that climate gradually became sharply continental, more arid.

The last 3700 years was characterized by a continuing increase in climate continentality and cooling that led to the complete disappearance of fir and appearance of spruce in the lake catchment.

The more detailed temporal resolution of future palaeoecological records from this region will improve our understanding of the interaction of the lakes hydrology with climate and will provide valuable information for the efficient use of water resources.

Keywords: spore-pollen analysis, vegetation, climate, Holocene.

Введение

Саяны - крупная горная система, занимающая обширные территории Южной Сибири и части Северной Монголии; они простираются на восток до озера Байкал, а на западе их продолжением является Алтай. Район исследования приурочен к Ильчир- скому грабену на границе Окинского плато и Тун- кинских Гольцов (рис. 1). Фундамент озерного водосбора слагают докайнозойские метаморфические и неогеновые вулканические породы, частично перекрытые ледниковыми отложениями позднего плейстоцена [Mackay et al., 2012].

Ильчирский грабен со всех сторон окружен высокими хребтами, что обусловливает особый тип климатического режима [New et al., 2002]. Климат характеризуется средней июльской температурой +11 °C и средней январской температурой -26 °С. Минимальные температуры часто опускаются ниже 40 °C, а максимальные летние температуры могут превышать 25 °C. Среднегодовая температура не превышает -6,6 °С. Среднегодовое количество осадков составляет около 400 мм, из которых только 10 % выпадает в холодное время года с октября по март. Поверхностные воды озера Ильчир могут прогреваться до +15 °C в июле. С октября по июнь озеро покрыто льдом [Bondarenko et al., 2002].

Современная растительность в горах Восточного Саяна имеет четкое высотное зонирование. Пихта Abies sibirica Ledeb., ель Picea obovata Ledeb. и сосна сибирская Pinus sibirica Du Tour доминируют на высотах ниже 1 000 м над ур. м. Сосна сибирская и лиственница Larix sibirica Ledeb. преобладают в интервале высот 1 000 и 1 800-2 000 м. Кустарники, в том числе виды кустарниковой березки Betula sect. Nanae L., ольхи кустарниковой Duschekia fruticosa (Rupr.) Pouzar и Ericales, распространены в нижнем ярусе темнохвойных лесов и в субальпийском поясе над линией деревьев. Леса из сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. занимают более теплые и сухие места обитания в восточной части Саян на низких высотных уровнях и на предгорных равнинах. В растительности котловины озера Ильчир преобладают редкие лиственницы с подлеском из кустарниковой березки, наземным покровом из лишайников рода Cladonia Hill ex P. Browne и мхов рода Sphagnum L. Участки мохово-лишайниковой тундры чередуются с пятнами осоково-злаковых и кобрезиевых Kobresia myosuroides (Vill.) Fiori, Minuartia arctica (Steven ex Ser.) Graevn., Carex ledebouriana (C.A. Mey. ex Trev. Worosch., С. Rupestris All.) травяных лугов в понижениях рельефа. На плоских склонах южной экспозиции можно встретить луговины из Valeriana capitata Pall. ex Link, Trollius asiaticus L., Allium schoe- noprasum L., Primula nivalis Pall. В прибрежной части озера растут макрофиты, в том числе виды рода Carex L. и Potamogeton spp. [Холбоева, 2011; Mackay et al., 2012].

Рис. 1. Местонахождение озера Ильчир^ А - общее положение озера в горах Восточного Саяна; B - котловина озера с впадающими в него безымянными постоянными водотоками; красными треугольниками отмечены точки отбора поверхностных проб в прибрежной полосе озера

Fig. 1. Location of Lake Ilchir^ A - general position of Lake Ilchir in the East Sayan mountains; B - the Lake Ilchir basin with a streams flowing into it; red triangles mark points of surface pollen samples

Материалы и методы исследования

Донные отложения озера Ильчир были пробурены в 2013 г., длина керна составила 132 см.

Палинологический анализ. Керн был опробован в лабораторных условиях Института геохимии СО РАН (г. Иркутск). Для целей палинологического анализа был опробован каждый второй сантиметр, что в сумме составило 67 образцов. Для экстракции пыльцы и спор в лабораторных условиях образец естественной влажности подвергался стандартной процедуре обработки [Berglund, Ralska-Jasiewiczowa, 1986], этапы которой заключались в следующем: до начала обработки каждый образец объемом в 1,5 г влажного осадка помещали в стеклянный стакан и добавляли несколько капель разбавленной соляной кислоты (HCl) для обнаружения карбоната кальция.

Этот этап показал, что образцы из донных отложений озера Ильчир не содержат такового, поэтому далее применялась следующая процедура. Осадок отмывали 2-3-разовым центрифугированием, затем добавляли 10 %-й гидроксид калия (KOH) и помещали стаканы на 10-15 мин в водяную баню с температурой 80 °С. На этом этапе происходила дезагрегация матрицы осадка и растворение гуминовых кислот. Далее остывшую смесь растворенного в KOH осадка пропускали через сито с ячеей 120 мкм, при этом пыльцевые зерна и споры проходили через сито. Суспензия, прошедшая через сито, собиралась в полипропиленовые центрифужные пробирки, промывалась трехкратным центрифугирования на скорости около 3 000 об./мин на протяжении 3 мин. Затем проходила обработка 40 %-й плавиковой кислотой (HF) в электрической водяной бане 45 мин - 4 ч при температуре 80 °С в зависимости от того, когда на дне пробирок не останется твердой фракции. После остывания проводили центрифугирование с добавлением слабого раствора соды до нейтральной реакции лакмуса. Конечный осадок переносился в 5-миллиметровые пластиковые пробирки.

Безводный глицерин использовали для хранения образцов и подготовки предметных стекол. Пыльцу и споры идентифицировали при увеличении *400, х600 и х1 000 с помощью опубликованных определителей пыльцы и атласов [Куприянова, Алешина, 1978; Бобров и др., 1983; Moore et al., 1991].

В качестве современных или субрецентных спорово-пыльцевых спектров (СПС) мы рассматриваем пять спектров, полученных из илов у уреза воды в озере (см. рис. 1). Их состав приведен на рис. 2.

Рис. 2. Состав спорово-пыльцевых спектров из верхнего слоя ила у уреза воды в озере Ильчир В группе общего состава СПС лиловым цветом выделена пыльца древесных растений, желтым - кустарников, зеленым - наземных трав. Относительное обилие спор не превышает 1,5 %, поэтому на диаграмме они почти не видны. Обилие микрочастиц углей, стомат, клеток водорослей Pediastrum Meyen приведены в абсолютном количестве на пыльцевом слайде

Fig. 2. Composition of spore-pollen spectra from the uppermost silt layer at the water edge in Lake Ilchir In the general SPS composition section, lilac is the pollen of arboreal plants, yellow corresponds shrubs, green color means on-land herbs pollen. The relative abundance of spores does not exceed 1,5 %, so they are almost invisible on the diagram. The abundance of the charcoal microparticles, stomata, and Pediastrum Meyen algae cells are shown in absolute numbers met on the pollen slide

Процентное соотношение индивидуальных пыльцевых таксонов во всех СПС рассчитывалось от суммы всех пыльцевых зерен, исключая споры папоротников и мхов. Процентное содержание зерен споровых растений было определено от суммы всех подсчитанных в каждом образце зерен пыльцы и спор. Одновременно в этих же препаратах проводился и подсчет общего количества частиц угля. Подсчет микрочастиц углей полезен в любом случае, поскольку позволяет косвенно судить о возникновении или отсутствии пожарных явлений в исследуемом регионе/районе, независимо от размеров бассейна озера. При этом мы не рассчитывали частоту пожарных явлений, их интенсивность, близость к береговой линии озера, потому что не применяли специальную методику выделения микрочастиц углей, а считали их на пыльцевых слайдах. Такая практика является обычной в палеогеографических исследованиях для получения дополнительной информации [Conedera et al., 2009]. На пыльцевых слайдах нами были определены и устьица хвойных древесных растений, нахождение которых является полезным методом для реконструкции истории растительности [Macdonald, 2002]. Устьица или стоматы хвойных деревьев указывают на близость исходных деревьев, например, к линии озера и играют важную роль в изучении растительности и восстановлении миграций границ древесной растительности в горных районах [Pisaric et al., 2001]. В описании пыльцевых зон приводятся средние значения обилия господствующих таксонов пыльцы.

Программное обеспечение Tilia/Tilia-Graph/TGView [Grimm, 2011] использовалось для расчета процентного соотношения пыльцевых таксонов, построения диаграмм и выделения локальных пыльцевых зон. Поскольку на происхождение, распространение и захоронение непыльцевых палиноморф - НПП (микрочастицы углей, стоматы, водоросли) могут влиять совершенно разные наборы экологических переменных, то, согласно рекомендациям [Chevalier et al., 2020], мы не включали сумму НПП для расчета их относительного обилия, а показали их абсолютные значения на пыльцевых слайдах.

Хронологический контроль. Возраст отложений в керне определен методом радиоуглеродного датирования с применением ускорительной масс- спектрометрии (УМС 14С) в Познаньской радиоуглеродной лаборатории (Польша) и в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН). Дату, полученную в ИЯФ СО РАН, следует рассматривать как экспериментальную, так как на данный момент лаборатория не сертифицирована. Однако значение даты логично встраивается между имеющимися датами из сертифицированной лаборатории. Всего получено пять дат, измеренные и калиброванные значения которых приведены в таблице. Измеренные значения 14С возраста откалиброваны с использованием пакета программ OxCal v4.3 [Bronk Ramsey, 1995] и калибровочной кривой IntCal13 [Reimer et al., 2013]. Далее все значения возраста приводятся в калиброванном летоисчислении (лет назад до настоящего времени = л. н.).

Таблица 1. УМС 14С даты и их калиброванные значения для образцов из отложений керна из озера Ильчир

AMS 14С dates and their calibrated values for samples from sedimentary core from Lake Ilchir

Пыльцевые индексы. Используя полученную палинологическую запись, мы рассчитали некоторые пыльцевые индексы, характеризующие изменение климата исследуемого района. Так, соотношение пыльцы темнохвойных и светлохвойных древесных растений, имеющих различные требования к эколо- го-эдафическим и климатическим факторам [Коро- пачинский, Встовская, 2002], может служить качественным показателем относительной изменчивости континентальности климата (относительного увлажнения и контрастности средних температур летнего и зимнего сезонов).

В группу пыльцы светлохвойных древесных включена пыльца Pinus sylvestris L. и Larix sibirica Ledeb., а в группу пыльцы темнохвойных древесных - пыльца Pinus sibirica Du Tour, Abies sibirica Ledeb., Picea obovata Ledeb. Отношение суммы пыльцы древесных растений (arboreal pollen, AP) к сумме пыльце кустарников и трав (Non Arboreal Pollen, NAP) характеризует относительную лесопокры- тость территории. Индекс степь/лес (Steppe-Forest Index) отражает взаимоотношение между лесными и степными таксонами - индикаторами изменения уровня общего увлажнения [Traverse, 2007]. Повышенные значения SFI соотносятся с повышенной за- сушливостью/аридностью климата и наоборот. При построении графика «Изменение избранных палинологических индексов природной среды бассейна озера Ильчир» использованы значения соответствующих пыльцевых таксонов, подсчитанные при анализе (рис. 4). Нелинейные характеристики, полученные в результате подсчета пыльцы и спор в образцах, особенно пики на глубине 80 и 43 см в керне, были аппроксимированы с применением полинома третьей степени, чтобы сгладить вариации обилия пыльцы ветроопыляемых растений и упростить понимание изменения рассчитанных индексов.

Результаты

Хронология. Результаты датирования показали, что возраст отложений в основании керна из озера Ильчир составляет около 8 500 лет. Возраст верхнего слоя (5,5 см) оказался равным 2 190 лет.

Отражение локальной растительности котловины озера Ильчир в современных пыльцевых спектрах. Локальная растительность котловины озера представлена редкими островками лиственницы, зарослями кустарниковой березки. Наземный покров на северных склонах котловины сформирован вересковыми кустарничками, лишайниками и сфагновыми мхами. В прибрежной части озера преобладают осоки и злаки, а на склонах южной экспозиции - представители травянистых растений, принадлежащих к лугово-степным сообществам - рода полыни Artemisia L., семейства маревых Chenopodiaceae, лютиковых Ranunculaceae, гвоздичных Caryophyllaceae, сложноцветных Asterace- ae, гречишных Polygonaceae, бобовых Fabaceae, камнеломковых Saxifragaceae.

Известно, что пыльца лиственницы слабо представлена в поверхностных (современных) пыльцевых спектрах [Brubaker et al., 2005; Lisitsyna et al., 2011; Klemm et al., 2013]. В современных СПС, взятых из илов у уреза воды в озере, среднее значение обилия пыльцы лиственницы составляет 4 % (см. рис. 2), формируя локальный компонент пыльцевого дождя. Это значение мы принимаем за пороговое, указывающее на ее произрастание в котловине озера Ильчир в виде островков или лент, как в настоящее время (рис. 4).

Пыльца пихты и ели также не разносится на значительные расстояния, и большая ее часть оседает у стены продуцирующих их древостоев [Liu et al., 1999; Bezrukova et al., 2005]. В составе современной растительности вокруг озера Ильчир пихта и ель не произрастают, а в современных СПС среднее значение пыльцы пихты составляет 0,3 %, а ели - 1,3 % (рис. 3). Следовательно, в современных СПС района исследования эти значения связаны с разреженной растительностью локального ландшафта и отражают региональный компонент пыльцевого дождя.