Estimation Of the raised bogs peat deposit transformation of West Siberia South-Eastern Part.pdf Введение Водно-болотные угодья являются ценными природными ресурсами, предоставляющими множество экологических услуг для флоры и фауны. В последнее время водно-болотные угодья стали популярной темой в дискуссиях об изменении климата, поскольку они включают 12% глобального углеродного пула [Anami et al., 2018]. В результате понижения уровня болотных вод при осушении болота становятся источником выбросов углекислого газа в атмосферу вследствие активизации микробиологических процессов в торфяной залежи [Bacon et al., 2017]. В настоящее время наблюдается повышение внимания к оценке более широкого спектра услуг, предоставляемых болотами, включая защиту биоразнообразия, регулирование стока и баланса парниковых газов, таких как диоксид углерода и метан, и становится общепризнанным, что восстановление нарушенных болот, в том числе путем блокировки каналов, является единственным способом возобновления их биосферных функций [Бамбалов, Ракович 2007; Knox et al., 2017; Williamson et al., 2017]. Поэтому становится все более важным измерять и моделировать накопление углерода в торфяных почвах и проводить оценки динамики запасов торфа, чтобы обеспечить регулирование изменений углеродного цикла во времени в контексте мероприятий по смягчению последствий изменения климата [Keaney et al., 2013; Walter et al., 2016]. Для территории таежной зоны Западной Сибири, и в частности для Томской области, является актуальной проблема оценки состояния и процессов самовосстановления осушенных болот. Согласно данным дешифрирования космических снимков Landsat, осушенные с целью лесомелиорации и добычи торфа болота в пределах Томской области занимают более 500 км2. Пространственное распределение осушенных болот по территории неравномерно, наибольшая их часть сосредоточена в южной части области. Самый северный участок гидролесомелиорации на верховом болоте расположен в окрестностях г. Колпашево. Большая часть осушенных верховых болот находится в пределах северо-восточных отрогов Большого Васюганского болота [Синюткина, 2013]. В настоящее время большинство осушенных болот не используется. Отсутствие ремонта дренажной сети способствовало ее заторфовыванию и зарастанию, что привело к частичному перекрытию каналов и развитию неконтролируемых процессов самовосстановления верховых болот. Неоднозначность оценок последствий как осушения, так и восстановления болот с точки зрения эмиссии парниковых газов и скорости современной аккумуляции торфа, потенциальной пожароопасности болот и динамики биоразнообразия [Синюткина и др., 2018] делает необходимым проведение исследований в области изучения современного состояния и тенденций самовосстановления биосферных функций осушенных верховых болот подзоны южной тайги Западной Сибири. В частности, целью данной работы является оценка интенсивности торфонакопления и степени трансформации торфяной залежи осушенных верховых болот юго-восточной части Западной Сибири на основе анализа физико-технических свойств и ботанического состава торфа. © Синюткина А.А., 2020 DOI: 10.17223/25421379/14/6 Объекты и методы Объекты исследования. Объектами исследования являются пять ключевых участков на осушенных и аналогичном естественном верховых болотах (рис. 1, табл. 1) в пределах междуречных равнин в бассейне р. Чаи, левобережной надпойменной террасы р. Бак-чар и правобережной второй надпойменной террасы р. Оби. Водораздельные равнины сложены песчано-глинистыми отложениями нижнечетвертичного и среднечетвертичного возраста демьяновской, тобольской, самаровской свит и отложениями ширтинского и тазовского горизонтов. Мощность отложений достигает 60 м. В пределах водораздельных равнин отложения болот залегают на плотных водонепроницаемых глинистых отложениях ширтинского и та-зовского горизонтов. Абсолютные высоты поверхности изменяются в пределах 110-120 м. Поверхность равнин ровная, повсеместно интенсивно заболоченная. Террасы р. Бакчар вложены в среднечетвертич-ные отложения самаровской свиты и отложения шир-тинского и тазовского горизонтов. Террасы сложены глинами, суглинками, песками. Поверхность террас ровная, сильно заболоченная. Аллювиальные отложения второй надпойменной террасы р. Оби залегают на среднечетвертичных отложениях тобольской свиты и сложены мелко и крупнозернистыми песками, галечниками, суглинками и глинами. Для правобережной террасы характерно преобладание песчаных отложений. Абсолютные высоты поверхности изменяются в пределах 70-80 м. Рельеф минеральной поверхности характеризуется наличием многочисленных понижений, занятых верховыми болотами, сильной заболоченностью отличается тыловая часть террасы вдоль уступа третьей надпойменной террасы [Геолого-гидрогеологическое строение, 1964, 1965]. Климат исследуемой территории континентальный с длинной холодной зимой и коротким теплым летом. Средняя годовая температура в пределах изучаемой территории изменяется в интервале -0,53 до 0,09°С, среднегодовое количество осадков от 475 до 519 мм [Булыгина, Ракович, 2007], суммарное годовое испарение достигает 350 мм [Возобновляемые., 2007]. Территория исследования относится к подзоне южной тайги Западной Сибири. Растительный покров всех ключевых участков представлен сосново-кустарничково-сфагновым фитоценозом, иногда с примесью кедра и березы. Видовой состав характеризуется доминированием Pinus sylvestris, Ledum palustre, Chamaedaphne calculata, сфагновых мхов. Осушение участков проведено в 1980-х гг. сетью открытых каналов с целью лесомелиорации и добычи торфа. Отсутствие лесопосадочных работ и ремонта дренажной сети привело к развитию процессов самовосстановления осушенных болот. В зависимости от исходной нормы осушения и современного состояния дренажной сети болота находятся на разной стадии самовосстановления растительного покрова. В качестве объекта сравнения выбран ключевой участок в бассейне р. Ключ. Рис. 1. Схема расположения объектов исследования Цифрами обозначены номера ключевых участков (см. табл. 1) Fig. 1. Study area map Numbers indicate the numbers of key sites (see table 1) Ключевой участок № 1 (Колпашево) расположен на второй надпойменной террасе р. Оби в окрестностях г. Колпашево Томской области и включает верховое болото площадью 11 км2. Осушенный участок площадью около 3,4 км2 расположен в юго-западной части болота. Расстояние между осушительными каналами изменяется от 80-100 м на южной окраине болота и увеличивается до 400 м по направлению к центральной части. Полевые исследования проведены в южной части болота в пределах кедрово-соснового кустарничково-сфагнового (площадка К1) и сосново-кустарничково-сфагнового (площадка К2) микроландшафтов. Мощность торфяной залежи в пределах площадки К1 составила 1,5 м. Залежь сложена преимущественно древесно-травяно-моховыми торфами, степень разложения увеличивается с глубиной от 10 до 50%. Мощность торфяной залежи на площадке К2 составляет 2,35 м. Верхние горизонты торфяной залежи до глубины 0,80 м сложены преимущественно сфагновым, ниже распространены древесно-травяно-моховые торфы. Степень разложения увеличивается с глубиной от 3 до 50%. Торфяная залежь подстилается песчаными отложениями. Ключевой участок № 2 расположен в пределах болота Усть-Бакчаркое на левобережной террасе р. Бакчар. Площадь болота составляет 3,5 км2, в том числе осушенная часть - 1,6 км2. Болото осушено с целью добычи торфа, расстояние между осушительными каналами составляет 40 м. Полевые исследования проведены в осушенной центральной части болота в пределах сосново-кустарничкового (УБ1) и березово-соснового кустарничково-сфагнового (УБ2) микроландшафтов. Мощность торфяной залежи на площадке УБ1 составляет 3 м, до глубины 1,75 м сложена верховым сфагновым торфом со степенью разложения 5-15%, ниже следуют слои травяно-мохового и древесно-травяно-мохового торфов со степенью разложения до 40%. Торфяная залежь на площадке УБ2 общей мощностью 1,7 до глубины 1 м сложена сфагновым торфом со степенью разложения 5-15%. Ниже следуют слои пушицево-сфагнового и древесно-травяно-мохового торфов, степень разложения увеличивается до 50%. Минеральное дно болота сложено тяжелым суглинком. Таблица 1 Характеристика ключевых участков Table 1 Key sites characteristics Ключевой участок Номер площадки Координаты Уровень болотных вод, см Геоморфологический уровень Антропогенная нагрузка 1 Колпашево (К) 1 58°19'07''N 83°06'37''E -100 терраса р. Кеть гидролесомелиорация 2 58°19'10''N 83°06'36''E -100 2 Усть-Бакчарское болото (УБ) 1 57°34'41''N 82°16'26''E -42 терраса р. Бакчар осушение для добычи торфа 2 57°34'33''N 82°16'22''E -27 3 Бакчарский болотный массив (ББ) 1 56°53'29''N 82°40'47''E -26 междуречье Бакчар-Икса гидролесомелиорация 2 56°53'48''N 82°40'56''E -11 4 Иксинский болотный массив (ИБ) 1 56°50'25''N 83°15'18''E -27 междуречье Икса-Шегарка гидролесомелиорация 2 56°51'15''N 83°15'55''E -23 5 Бакчарский болотный массив (фон) 1 56°58'24''N 82°36'41''E -11 междуречье Бакчар-Икса естественный участок Ключевой участок № 3 расположен в пределах осушенной части Бакчарского болотного массива (отрог Большого Васюганского болота) на Бакчар-Иксинской водораздельной равнине. Площадь болотного массива около 2 600 км2, осушенный с целью гидролесомелиорации участок площадью 77 км2 расположен в центральной части болотного массива к югу от трассы Томск-Бакчар. Полевые исследования проведены в пределах сосново-кустарничково-сфагновых микроландшафтов на двух площадках в бассейне р. Гавриловка. Мощность торфяной залежи площадки ББ1 составляет 2,5 м. Залежь до глубины 1,75 м сложена сфагновым торфом со степенью разложения 5-25%. Ниже следуют слои травяно-сфагнового, травяного и древесно-травяного торфов, степень разложения увеличивается до 50% в придонном слое. Верхние слои торфяной залежи площадки ББ2 до глубины 1,25 м сложены сфагновым торфом со степенью разложения 5-20%. Ниже следуют слои древесно-травяного торфа, степень разложения увеличивается с глубиной до 40%. Ключевой участок № 4 расположен в пределах осушенной части Иксинского болотного массива (отрог Большого Васюганского болота) на Икса- Шегарской водораздельной равнине. Площадь болотного массива составляет около 1 700 км2, в том числе осушенная часть занимает около 70 км2 в центральной части болотного массива по обе стороны от трассы Томск-Бакчар. Полевые исследования проведены в пределах сосново-кустарничково-сфагновых микроландшафтов на двух площадках к югу от трассы. Мощность торфяной залежи на площадке ИБ1 составляет 3,3 м, до глубины 2,9 м сложена сфагновым торфом со степенью разложения 5-30%. Придонные слои сложены древесно-сфагновым и древес-но-травяным торфами, степень разложения увеличивается до 50%. На площадке ИБ2 мощность торфяной залежи снижается до 1,3 м, сложена сфагновым, дре-весно-сфагновым и травяно-сфагновым торфами. Степень разложения изменяется в пределах 15-40%. Ключевой участок № 5 расположен в естественной части Бакчарского болотного массива в пределах сосново-кустарничково-сфагнового микроландшафта. Мощность торфяной залежи составляет 2,4 м, до глубины 1 м сложена сфагновым торфом со степенью разложения 5-20%. Ниже по профилю слои торфа сменяются в следующем порядке: травяно-сфагновый, древесно-моховой, травяно-моховой, степень разложения повышается до 30%. Методы полевых исследований. Полевые исследования и отбор образцов торфа проведены в период с 23 июля до 8 августа 2019 г. Полевые исследования включали в себя: 1. Определение мощности торфяной залежи, выделение стратиграфических горизонтов по видам и степени разложения торфа визуальным методом [von Post, 1922; Тюремнов, 1976] по всей мощности торфяной залежи. Определение степени разложения проведено путем характеристики пластических свойств торфа, содержания растительных остатков, количества и цвета выжимаемой воды. Вид торфа определялся по составу видимых растительных остатков, цвету и степени разложения образцов торфа. 2. Отбор образцов торфа с шагом 5 см до глубины 90 см с использованием торфяного бура для лабораторного определения ботанического состава и физико-технических характеристик торфа. Всего отобрано 162 образца. Глубина отбора образцов обусловлена однородным ботаническим составом торфяной залежи на всех участках до глубины 90 см. 3. Определение уровня болотных вод относительно средней поверхности болота с использованием метода линейной таксации [Наставления, 1990]. Методы лабораторных исследований. Лабораторный анализ торфа включал определение следующих характеристик: ботанический состав, степень разложения [ГОСТ 28245-89], зольность [ГОСТ 11306-83], влажность [ГОСТ 11305-2013], насыпная плотность [Chambers et al., 2011]. Оценка значимости различий физики-технических свойств торфа осушенных и естественного болот проведена с использованием теста Mann-Whitney (U-test). Классификация площадок по критериям физико-технических свойств торфа выполнена методом кластерного анализа. Результаты Ботанический состав торфа. Значения физико-технических показателей определяются ботаническим составом торфа. Наименьшие значения насыпной плотности (0,05 г/см3), зольности (1,9%) и степени разложения (11%) и наибольшая влажность (92%) характерны для фускум торфа. Наличие древесных остатков способствуют увеличению зольности до 6% и уменьшению влажности до 83% при содержании древесины более 50%. Максимальная плотность характерна для древесного и травяного видов торфа (0,1 г/см3). Ботанический состав верхних горизонтов торфа естественного участка до глубины 65 см характеризуется преобладанием балтикум и магелланикум торфов. Последствия осушительной мелиорации проявляются в смене видового состава мхов и увеличении доли древесных остатков в составе верхних горизонтов торфяной залежи. Выявлены различия в характере трансформации ботанического состава торфа, отложившегося до и после осушения между ключевыми участками. На площадках ББ1, К2 отмечена смена балтикум и магеллани-кум торфов на фускум торф на глубине 25 см. Для площадки УБ2 характерно появление в составе торфа верхних горизонтов гипновых мхов с максимальной долей их присутствия на глубине 15-20 см. Ряд площадок (ИБ2, К1) характеризуется формированием древесного торфа в верхних горизонтах при практически полном отсутствии здесь остатков сфагновых мхов, что может являться индикатором практически полного отсутствия процесса современной аккумуляции торфяной залежи. На остальных площадках трансформация видового состава растений-торфо-образователей не выявлена. Влажность торфа. Среднее значение влажности торфа на всех осушенных участках составило 91,1%. Минимальная влажность (73%) наблюдается в верхнем слое торфа на площадке К1. Кроме того, низкие значения влажности (менее 80%) характерны для слоя торфа 25-35 см площадки К2. Максимальные значения влажности, превышающие 95%, отмечены на площадке ББ1 в слое торфа 30-70 см. Значимые различия влажности торфа между осушенными и естественными болотами характерны для всех ключевых участков, за исключением площадки ББ1 (U-test, p < 0,05) (рис. 2). Минимальное значение средней влажности торфа верхнего горизонта торфяной залежи (до 30 см), составляющее 84%, наблюдается на площадке К1. Более высокие значения влажности верхних горизонтов (84-88%) характерны для площадок К2, УБ1,2, ИБ2. Минимальные значения средней влажности по глубине 0-90 см отмечены на обеих площадках ключевого участка Колпашево, что объясняется про-сыханием торфяной залежи на значительную глубину при низком уровне болотных вод (см. табл. 1). Большие значения средней влажности по глубине 0-90 см (92-94%), близкие к естественному участку (95,4%), отмечены на площадках ББ1,2, ИБ1. Для всех объектов, за исключением площадки ББ2, характерно повышение значений влажности с глубиной в верхних слоях до глубины 20-30 см, ниже на большинстве участков наблюдается стабилизация значений влажности. В результате классификации участков по критерию влажности в слое торфа 0-90 см с использованием метода кластерного анализа выделено два кластера (рис. 3). Первый кластер включает обе площадки ключевого участка Колпашево, отличающеся низкими значениями влажности. Второй кластер разделяется на два подкластера, в один из которых входят площадки УБ1,2 и ИБ2 со средними значениями влажности среди изучаемых ключевых участков. Наиболее близкими значениями влажности к фоновому участку характеризуются площадки ББ1,2 и И1, объединенные в один подкластер. УБ1 УБ2 фон 0,26 0,24 0,22 0,20 1 0,18 Л 0.16 X Z 0.14 с с 0,12 а: го I 0,10 3 (С 0,08 X 0.06 0,04 0,02 0,00 60 50 40 98 96 94 92 90 т, | т т I 84 82 80 78 76 74 72 16 14 12 10 . Median 25%-75% ^ Min-Max . Median PI 25%-75% ~р Min-Max I 1 |. I 1 I - 30 20 10 -1-1-1-1-г- -I-1-1-1- . Median Щ 25%-75% Min-Max у т Т т ■ • ' Ш ■ + ■ « т 1 1 Т 1; 7 ББ1 ББ2 ИБ1 ИБ2 К1 К2 УБ1 УБ2 фон -1-1-1-1-1-1-1-1-1- . Median р 25%-75% ^ Min-Max т . I1 БЫ ББ2 ИБ1 ИБ2 К1 К2 УБ1 УБ2 фон ББ1 ББ2 ИБ1 ИБ2 К1 Рис. 2 Сравнение свойств торфа между ключевыми участками Fig. 2 Comparison of peat properties between key sites фон Насыпная плотность торфа. Плотность торфа осушенных болот изменяется в пределах 0,010,25 г/см3. По результатам кластерного анализа (см. рис. 3) в отдельную группу выделяются обе площадки ключевого участка Колпашево, для которого характерны высокие значения и максимальные амплитуды колебаний плотности торфа (0,130,20 г/см3). Отмечено значимое превышение средней плотности над фоновым участком в 2,3 раза. При этом в приповерхностном слое торфяной залежи (510 см) на площадке К2 отмечено минимальное значение плотности среди ключевых участков, что, вероятно, объясняется высокой продуктивностью сфагновых мхов. Максимальные значения плотности наблюдаются на площадке К1 на глубинах 65-90 см. Это объясняется увеличением доли древесных остатков в ботаническом составе торфа на данной глубине, а также может быть связано с продолжающимся уплотнением торфяной залежи не только приповерхностных горизонтов, но и в более глубоких слоях в связи с низкими значениями уровня болотных вод. Второй кластер объединяет все остальные площадки, включая фоновый участок. Значимые различия в значениях плотности в слое торфа 0-90 см между фоновыми и осушенными участками характерны для площадок ББ1,2, ИБ 1, К1. При этом плотность может отличаться как в большую, так и меньшую строну (см. рис. 2). Меньшая плотность торфа на осушенных болотах в сравнении с фоновым может объясняться меньшей плотностью фу-скум торфа в сравнении с магелланикум и балтикум. На осушенных болотах в верхнем слое торфа отмечаются тенденции к увеличению значений плотности от поверхности в среднем до глубины 25 см. Горизонты максимальных значений плотности в пределах верхних слоев торфяной залежи различаются между участками и в большинстве случаев соответствуют глубинам 15-25 см. Увеличение плотности на данных глубинах на одних ключевых участках соответствует слою торфа с увеличением доли древесных остатков в составе сфагнового торфа (например, ИБ1), на других увеличение плотности объясняется сменой сфагнового торфа на гипновый, вероятно, отложившийся во время максимального влияния осушительной мелиорации в первые годы после осушения (например УБ2). На площадках ключевого участка ББ увеличение плотности торфа на глубинах 15-25 см не связано с существенным изменением ботанического состава торфа и, вероятно, произошло путем механического уплотнения торфяной залежи в период низкого уровня болотных вод в первые годы после осушения. На площадках УБ1 и ИБ2 максимальные значения плотности отмечены в поверхностном слое и на глубине 5-10 см соответственно, что может свидетельствовать об отсутствии процессов современной аккумуляции торфа или их минимальной скорости. На естественном болоте слой торфа с повышенной плотностью не выделяется, плотность здесь закономерно увеличивается с глубиной от 0,02 г/см3 в приповерхностном слое до 0,065 г/см3 на глубине 70-90 см. Ward's method Euclidean distances Ward's method Euclidean distances W BD 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

Скачать электронную версию публикации