Modern aeolian morpholithogenesis of cold period in the South-East part of the Sub-Taiga Zone of the West Siberian Plain.pdf Введение Эоловые процессы - сложные физические процессы взаимодействия воздушного потока с подстилающей поверхностью, развиваются во всех природных зонах Земли. Необходимые факторы для их протекания: наличие в поверхностных горизонтах значительного количества песчаных и пылеватых частиц; их слабая связность; достаточная для захвата и переноса частиц сила ветра; оголенность поверхности или слабое развитие растительного покрова. Вследствие этого наибольшее развитие эоловые процессы имеют в зонах пустынь, полупустынь и степей, где были изучены российскими и зарубежными учеными -В.А. Обручевым, Б.А. Федоровичем, Д.В. Наливки-ным, А.Г. Гаель, А.Н. Сажиным и Ю.И. Васильевым, Г. Конке и А. Бертраном, У. Чепилом, Р. Багнольдом, Н. Ланкастером и др. В пределах лесной зоны России, в том числе и юго-востока зоны подтайги Западно-Сибирской равнины, эоловые процессы изучены слабо. Анализ природных условий развития эоловых процессов зоны подтайги показал, что они в целом благоприятны для развития названных процессов: для территории характерны сильные или бурные ветры (> 15 м/с), ветер характеризуется порывистостью (до 20-25 м/с) [Евсеева, Слуцкий, 2005; Евсеева, 2009; Ананова, Заблицкая, 2010; Евсеева, Квасни-кова, 2010, 2015]; почвообразующими породами являются лессовидные отложения [Евсеева, Квасникова, 2015]. Но естественный растительный покров подтайги препятствует дефляции почв. В результате в естественных ландшафтах зоны подтайги эоловые процессы развиты слабо и представлены перевеванием песчаных кос на прирусловой пойме, раздуванием песков, супесей, суглинков в обнажениях водораздельных равнин и террас в долинах рек, а также аккумуляцией пыли, приносимой воздушными потоками. © Евсеева Н.С., Квасникова З.Н., Каширо М.А., Батманова А.С., 2017 DOI: 10.17223/25421379/3/1 Вырубка лесов, распашка земель привели к развитию природно-антропогенных эоловых процессов. Наиболее активно они развиваются на пашне, где проявляются в течение всего года и представлены дефляцией, транспортировкой материала и аккумуляцией. По данным наших наблюдений, на исследуемой территории выделяются два периода (стадии) проявления эоловых процессов: 1) эоловые процессы холодного периода года (ХПГ): со времени образования устойчивого снежного покрова (октябрь-ноябрь) до его схода (март-апрель); 2) эоловые процессы теплого периода. До настоящего времени эоловые процессы, развивающиеся на территориях с устойчивым снежным покровом, мало изучены. В то же время взаимодействие ветра и снега формирует целый ряд процессов, которые можно отнести к дефляции. В. В. Бутюгин в 2008 г. предложил называть их снеговетровыми [Инженерная геодинамика... 2013]. Цель данной работы - характеристика эоловых снеговетровых процессов холодного периода года. Методы исследования С целью исследования эоловых процессов в зоне подтайги юго-востока Западно-Сибирской равнины нами проведен анализ основных факторов их развития: скоростей ветра по данным авиаметрической станции аэропорта Томск (Богашево), метеостанции Томск и полевым измерениям; состава почв и поч-вообразующих пород, морфологии и морфометрии рельефа, основных характеристик снежного покрова на ключевых участках. Ежегодно отбирались пробы снега из всей толщи и с поверхности эоловых волн разной степени загрязненности по опорным профилям длиной до 800 м с последующим изучением гранулометрического и химического состава эоловых отложений. С 2013 г. ведутся наблюдения за накоплением эоловых отложений в пылеуловителях по методу М. Рехайс [Reheis, 2003]. Результаты исследования и их обсуждение Эоловые процессы на пашне юго-востока зоны под-тайги Западно-Сибирской равнины ХПГ подразделяются на деструктивные и аккумулятивные. Дефляции подвержены почвы в основном тяжелого гранулометрического состава, сформировавшиеся на лессовидных отложениях (серые лесные и их подтипы, дерново-подзолистые, черноземы оподзоленные и др.). Почвы обладают высокой распыленностью (содержание агрегатов < 1 мм достигает 40-88%) и уязвимы к сильным ветрам. Выявлена 5-6-летняя цикличность проявления процесса [Евсеева, Квасникова, 2015] (рис. 1). Проявление снеговетровых процессов в ХПГ, по данным наших наблюдений, имеет две стадии (фазы) развития: 1 - от установления устойчивого снежного покрова до периода его максимального снегонакопления (в основном 2-3-я декада марта); 2 - в период снеготаяния, совпадающего с весенним максимумом буревой деятельности. Рис. 1. Сопоставление цикличности проявления солнечной активности и интенсивности аккумуляции эолового материала на пашне Томь-Яйского междуречья (по: [Евсеева, 2005] с изменениями) Fig. 1. Comparison of the cyclicity of the manifestation of solar activity and the intensity of accumulation of eolian material in the plowland of the Tom-Yai interfluve (from [Evseeva, 2005] with additions) Таблица 1 Примеры интенсивности эоловой аккумуляции в снежной толще в первую стадию развития на склонах южной экспозиции Table 1 Examples of the intensity of eolian accumulation in the snow stratum in the first stage of development on the slopes of the southern exposure Год наблюдения Дата установления устойчивого снежного покрова Дата проведения снегосъёмки Интенсивность седиментации эолового наноса, г/м2 Пашня Кедровый лес 1990 19.10.1989 21.03.1990 До 512 - 1993 27.10.1992 24.03.1993 2,6-10,0 - 2003 04.11.2002 15.03.2003 До 824,0 - 2007 21.11.2006 16.03.2007 До 45,0 До 13,1 2012 27.10.2011 02.03.2012 24,6-878,7 2,6-6,6 2015 10.10.2014 14.03.2015 2,7-336,0 10,0-12,0 2016 15.10.2015 17.03.2016 0,8-42,0 0,23-1,0 В первую стадию развития эоловых процессов ХПГ дефляции подвержены наветренные склоны микро- и нанорельефа пашни, а также гребни пашни в случае глубокой осенней вспашки. Сильные ветры южных румбов, достигающие в порывах 20-25 м/с на высоте 1 м над поверхностью земли, периодически сдувают снег с названных элементов рельефа. Об этом свидетельствует и толщина снежного покрова: она изменяется на повышенных элементах рельефа от 0 до 30-40 см, в сугробах у лесополос, кромки леса -до 2-2,4 м, составляя в среднем 50-60 см. Выдутые частицы почвы отлагаются на снегу. Интенсивность аккумуляции эоловых осадков в снежной толще в совокупности с атмосферной пылью, приносимой воздушными потоками, неравномерна во времени и пространстве (см. табл. 1, рис. 2). Толщина загрязненных прослоек снега в шурфе изменяется от 2-3 мм до 2-4 см, местами достигая 8-15 см. При проективном покрытии поля эоловой пылью в среднем 50-60% за период залегания снежного покрова на 1 га пашни может отлагаться от 4 кг/га до 4,4 т/га наноса. Для второй стадии развития эоловых процессов в ХПГ также характерна различная интенсивность проявления. В это время снег прежде всего стаивает на плакорах и повышениях рельефа пашни, особенно на южных склонах. Интенсивность развития дефляции носит прерывистый характер, обусловленный высокой изменчивостью циркуляции атмосферы, скоростей ветра, выпадением осадков, температуры воздуха, почвы и др. Отбор проб снега за разные отрезки времени после снегопадов на опорных профилях показывает, что за короткие промежутки на поверхности снега может накапливаться значительная масса эолового материала (табл. 2). Аккумуляция эолового материала происходит на поверхности снега неравномерно и с разной интенсивностью, что хорошо иллюстрируют примеры на опорном профиле (рис. 3) за 2008 и 2015 гг. В среднем по профилям накопилось 4,03 г/м2 в 2008 г. и 88,15 г/м2 в 2015 г. При проективном покрытии поверхности снега эоловой рябью в 70% за короткий промежуток времени на 1 га пашни может отлагаться до 4,4 т/га наноса. В годы с активным развитием эоловых процессов во вторую фазу ХПГ эоловая рябь покрывает от 45-50 до 70-90% поверхности снега (2004 г.), а толщина наноса достигает 11-13 мм (1996, 2000 г.) до 30 мм (2003 г.). Неравномерность накопления наноса связана с рядом причин: ветровым и температурными режимами, состоянием агрофона, мезо- и микрорельефом пашни, глубиной оттайки почвы на склонах разной экспозиции и др. Особенно значительное количество эолового материала накапливается во время бурь, когда порывы ветра достигают 20-25 м/с. В таких случаях, по данным наших наблюдений, в местах аккумуляции на эоловых волнах за сутки накапливается от 11,9 (09.03-10.03.2005) до 23,6 г/м2 (20.0321.03.2004). Гранулометрический состав эоловых осадков ХПГ характеризуется преобладанием пыли (до 90%), песка и ила (табл. 3). A B Рис. 2. Примеры интенсивности развития эолового процесса в холодный период года: A - 2008 г., B - 2015 г. Fig. 2. Examples of intensity of development of the eolian process in the cold period of the year: A - 2008, B - 2015 Таблица 2 Примеры интенсивности эоловой аккумуляции на поверхности снега во вторую стадию развития Table 2 Examples of the intensity of eolian accumulation on the snow surface in the second stage of development Год, дата Дата схода Сроки наблюдения Интенсивность аккумуляции, г/м2 снегосъёмки снежного покрова за аккумуляцией Пашня Кедровый лес 21.03.1990 26.04.1990 25.03.1990-08.04.1990 18,2-102,4 18,0 (опушка) 24.03.1993 21.04.1993 16.03.1993-24.03.1993 16.03.1993-11.04.1993 09.03.2003-10.03.2003 0,39 2,3-3,8 11,9 - 15.03.2003 02.05.2003 13.03.2003-30.03.2003 30.03.2003-13.04.2003 0,095-173,1 3,5-143,2 - 16.03.2007 24.04.2007 16.03.2007-15.04.2007 0,37-16,9 1,0 02.03.2012 07.04.2012* - - - 26.03.2013 21.04.2013 26.03.2013-28.04.2013 6,3-50,4 - 14.03.2015 24.04.2015 14.03.2015-21.04.2015 0,37-36,5 - 14.03.2015-25.04.2015 28.02.2016-16.03.2016 3,9-320,0 0,09-2,6 - 17.03.2016 12.04.2016 28.02.2016-02.04.2016 28.02.2016-09.04.2016 0,4-0,5 1,0-15,2 - * Снег сошел на 2-3 недели раньше обычного в период с 3 по 7 апреля 2012 г. [Экологический мониторинг, 2013], вследствие чего дефляция во время снеготаяния не была изучена. Рис. 3. Примеры накопления эолового материала в холодный период года на поверхности снега у лесополосы во вторую стадию развития за разные годы: A - 2008 г.; B - 2015 г. Fig. 3. Examples of accumulation of aeolian material in the cold period of the year on the surface of snow near the forest belt in the second stage of development for different years: A - 2008; B - 2015 В составе эоловых отложений в снеге содержатся гумус, биофильные макроэлементы и микроэлементы. Наличие первых свидетельствует о тесной генетической связи эолового наноса с почвами исследуемого региона. Содержание элементов питания растений в осадках в зависимости от степени загрязнения снега изменяется в значительных пределах, например гумуса - от 1,5 до 4,3-5,1%; Са +Mg - от 20,40 до 23,6 мг/экв. 100 г почвы и др. Сравнение среднего содержания микроэлементов (тяжелых металлов) в эоловых отложениях за 2001-2016 гг. показывает близость их химического состава с литогенным субстратом почв пашни (табл. 4). Таблица 3 Гранулометрический состав эоловых осадков Таблица 4 Granulometric composition of eolian sediments Table 3 Фракции, мм Среднее содержание, % Максимальное содержание, % Минимальное содержание, % 1-0,25 песок средний 2,43 9,2 0,4 0,25-0,05 песок мелкий 17,9 20,7 6,83 0,05-0,01 пыль крупная 37,75 54,8 23,1 0,01-0,005 пыль средняя 9,45 17,0 0,3 0,005-0,001 пыль мелкая 10,98 18,2 3,84 меньше 0,001 ил 10,98 30,4 9,12 Среднее содержание микроэлементов в эоловых отложениях и почвах пашни ключевого участка с 2001 по 2016 г., мг/кг Table 4 The average content of microelements in the eolian sediments and soils to the key area of arable land 2001 to 2016, Mg/kg Химический элемент В эоловых отложениях В почвах пашни (до 10 см) Pb 19,1 17,1 Cu 25,8 26,0 Sn 2,8 3,8 Mn 694,2 626,0 Ba 299,2 278,6 Co 12,6 12,0 V 70,1 59,8 Sr 216,7 217,0 Cr 46,9 46,0 Ni 30,2 38,0 Zn 58,7 42,0 Как известно, движение выдутых частиц почвы происходит путем перекатывания, скачками и во взвешенном состоянии. К.С. Кальянов [Кальянов, 1976] отмечает, что почти 95% всего количества перемещаемых ветром частиц содержится в слое высотой до 15 см над поверхностью земли. Наши наблюдения показали, что во время бурь, сильных порывов ветра частицы почвы «подпрыгивают» над поверхностью снега в пределах струй ветра до 30-40 см. Диаметр комочков почвы при этом достигает 3-4 мм. С целью определения интенсивности аккумуляции эоловой пыли на большой высоте нами использован метод M. Reheis [Reheis, 2003]. Метод заключается в установке простой, надежной ловушки для пыли, которая периодически очищается. Ловушка представляет собой кастрюлеобразную емкость, установленную на высоте около двух метров над поверхностью земли. Стеклянные шарики помещены на металлическую сетку, которая установлена в ка-стрюлеобразную емкость на 3-4 см ниже края. Высота в 2 м устраняет большинство сальтирующего песка. Шарики создают эффект щебнистой поверхности, которая препятствует выдуванию пыли, осевшей на дно емкости. В лабораторных условиях образец медленно сушат при температуре около +35°С; грубые органические вещества также удаляются во время этого процесса. Остальные минеральные вещества могут быть взвешены. Наблюдения за разные отрезки времени показали, что наибольшее количество наноса накапливается на кромке кедрового леса, а минимальное - на наветренном склоне пашни (табл. 5). Выводы Анализ данных полевых наблюдений за эоловыми процессами на пашне юго-востока зоны подтайги за 1989-2016 гг. показывает, что скорости ветра здесь значительны и вызывают дефляцию почв, имеющих высокое содержание пыли (40-80%) [Евсеева, 2009]. Эоловые отложения имеют тесную генетическую связь с почвами региона, кроме того, в составе эоловых наносов присутствует и пыль, приносимая воздушными потоками из других регионов. Выявлена 5-6-летняя цикличность проявления процесса (см. рис. 1). Это объясняется, по нашему мнению, как особенностями глобальной циркуляции атмосферы, проявляющейся в различных метеорологических характеристиках, так и региональными синоптическими процессами. Наиболее дефляционными за ХПГ были 1990, 2003, 2012, 2015 гг. В названные годы, согласно Е.М. Любцовой [Любцова, 1994], на пашне развивалась эоловая миграция вещества от средней (100200 г/м2) до сильной (200-500 г/м2) и очень сильной (500-1000 г/м2). Наиболее интенсивная дефляция почв в ХПГ наблюдалась в 2003 г. (до 824-997 г/м2) и в 2012 г. - до 878-1000 г/м2. В остальные годы отмечалась умеренная (50-100 г/м2) и слабая - менее 50 г/м2 эоловая миграция. Необходимо отметить, что в кедровом лесу, окаймляющем пашню с востока, за первую стадию развития эоловых процессов в ХПГ -от 0,23 до 24,8 г/м2. Таблица 5 Интенсивность аккумуляции эолового наноса в пылеуловителях за разные отрезки времени [Евсеева, 2009] Table 5 Intensity of accumulation of eolian deposit in dust collectors for different time intervals [Evseeva, 2009] Местоположение точки наблюдения Сроки наблюдения Накопление эолового наноса в сроки наблюдения, г/м2 Кедровый лес 06.11.2013-21.04.2014 14.10.2014-14.03.2015 14.03.2014-07.05.2015 17,2 20,6 4,8 Кромка кедрача 07.10.2015-17.03.2016 02.04.2016-08.07.2016 29,0 79,3 Наветренный склон пашни, южная экспозиция 06.11.2013-21.04.2014 14.10.2014-14.03.2015 21.03.2015-07.05.2015 0,7 4,1 2,9 Лесополоса на пашне, склон южной экспозиции 06.11.2013-21.04.2014 14.10.2014-14.03.2015 21.03.2015-07.05.2015 07.10.2015-02.04.2016 02.04.2016-08.07.2016 2,1 4,7 3,9 6,7 23,0 А.Н. Сажин [Сажин, 2004] отмечал, что современный эоловый морфогенез на распаханных землях степной зоны Евразии не приводит к образованию явно выраженных форм макрорельефа. В основном образуется эоловая рябь, бугры и валы навевания у различных преград, покровное скопление мелкозема в понижениях рельефа. Наши 27-летние наблюдения за современным эоловым морфолитогенезом на пашне зоны подтайги показывают, что и в подтайге крупных форм рельефа не образуется. Высота навеянных валов в лесополосах достигает 0,53 м, а их ширина - до 0,3-1,3 м, также происходит покровное накопление эолового наноса на поверхности (эоловая рябь в годы с интенсивным проявлением дефляции в ХПГ покрывает до 70-90% площади пашни). Эоловый процесс играет большую роль в миграции вещества как в пределах зоны подтайги, так и в системе разных сопряженных ландшафтов: пашня -лес - луг и т. д. С поверхности пашни выносятся гумус, биофильные элементы и микроэлементы.

Скачать электронную версию публикации