CC BY
62
————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —==———
УДК 574.9+574.472
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЭКОТОННЫХ СИСТЕМ ПОБЕРЕЖЬЯ ЦИМЛЯНСКОГО
ВОДОХРАНИЛИЩА 1
© 2014 г. Н.М. Новикова*, Н.А. Волкова*, О.Г. Назаренко**
*Институт водных проблем Российской академии наук Россия, 119333 Москва, ул. Губкина, д. 3. E-mail: [email protected] **Государственный центр агрохимической службы «Ростовский» Россия, 346493 Ростовская обл., Аксайский р-н, пос. Рассвет. E-mail: [email protected]
Поступила 18.12.2013
Рассмотрено изменение факторов среды экотонной системы «вода-суша» (уровень воды водохранилища, глубина залегания грунтовых вод и их минерализация) и компонентов экосистем (почвы, растительность) в годы с разным атмосферным увлажнением на разных типах побережья Цимлянского водохранилища на основе натурных наблюдений, выполненных в режиме мониторинга в период 2004-2013 гг. Показано, что максимальные значения уровня водохранилища имеют тенденцию к снижению, а минимальные и средние - к повышению, амплитуда его колебания в году - к уменьшению, и в последние годы редко превышает 2 м. Это способствует продолжению развивающихся абразионных процессов, сокращению протяженности кратковременно заливаемой территории за бровкой берега, и в настоящее время угрожает существованию лесополосы, сформировавшейся на побережье на высотной отметке 35.5 м н. у. м. Статистически значимой зависимости положения уровня грунтовых вод от осадков не установлено, но в последние годы с осадками ниже среднемноголетних значений, уровень водохранилища не выходит за береговую линию. Разногодичные и сезонные колебания глубины залегания грунтовых вод связаны с уровнем водохранилища. Подтоплению подвержена территория на расстоянии не более 200 м от береговой линии. На побережье водохранилища встречено 157 видов сосудистых растений. Из них 11 - деревья и кустарники. Максимальное видовое богатство растительности (110 видов) приходится на кратковременно заливаемые участки побережья (динамический блок). Максимальная первичная продуктивность (3.4 кг/м2) зарегистрирована в амфибиальном блоке, в поясе тростниковых плавней. Ключевые слова: водохранилище, уровень, побережье, экотонная система «вода-суша», функциональные блоки, флуктуация, направленные изменения, абразия, грунтовые воды, оглеение, засоление почв, экологические группы растительности, гидроморфизация, галофитизация.
Водохранилища - важный элемент природной среды современных ландшафтов засушливых районов на территории европейской части России. Современные исследования (Балюк, Кутузов, 2006; Новикова, Уланова, 2012) показывают, что они стали важным фактором, поддерживающим экологический каркас и биологическое разнообразие регионального уровня. Важную роль в его формировании играют побережья. Однако, несмотря на обширный объем и длительное время исследований, эти вопросы не получили должного освещения в научных публикациях, а сведения о структурно-функциональной организации природных комплексов побережий, их развитие во времени отсутствуют. Поэтому проблема развития и функционирования их природных комплексов, безусловно, актуальна, в связи с чем на примере Цимлянского водохранилища рассматриваются тенденции изменения во времени ведущего «трансформирующего фактора» — уровневого режима водохранилища и связанного с ним сезонного изменения уровня грунтовых вод, минерализации и
1 Работа выполнена по программе фундаментальных исследований Отделения наук о Земле РАН №13, проект
«Динамика и рациональное использование природных комплексов на побережьях водохранилищ на юге России».
химизма вод водохранилища и грунтовых вод, а изменение запасов надземной фитомассы и видового состава растительности на разных типах побережья - как функционирование экосистем в годы с разными погодными условиями.
Район работ
Цимлянское водохранилище создано в средней части долины реки Дон на территории Волгоградской и Ростовской областей России в пределах 47°33'-49°10' с.ш. и 42°07'-44°03'в.д. Оно имеет многолетнее регулирование. Заполнение завершилось в 1953 г., когда была достигнута проектная отметка нормального подпорного уровня (НПУ), равная 36.0 м н.у.м. Его водами затоплены пойма и террасы долины Дона, а также устьевые участки его притоков. Подпор распространяется вплоть до устья р. Иловли - крупного левого притока р. Дон.
Цимлянское водохранилище имеет многоцелевое назначение, но основной водопользователь -гидроэнергетика (81%). В числе крупных водопотребителей сельское хозяйство - орошение, подпитка Манычских водохранилищ, опреснение вод р. Сал (16%), водоснабжение населенных пунктов и промышленных предприятий (0.4%), водный транспорт (0.3%), атомная электростанция (0.2%) и рыбное хозяйством (0.14%) (Отчет ..., 2007). В последние годы водный транспорт выходит на ведущее место среди водопользователей. Уровневый режим определяется естественным притоком р. Дон и потреблением воды на промышленные и сельскохозяйственные нужды. В связи с этим максимальное наполнение и самый высокий уровень водохранилища, приближающийся к нормальному подпорному уровню отмечается в конце мая - начале июня, а минимальный уровень приходится на декабрь. Минимальный уровень водохранилища - уровень мёртвого объема (31 м н.у.м.) установлен в интересах судоходства. Как видим, для водоема характерно колебание уровня воды в процессе наполнения-сработки до 5 м.
Бассейн водохранилища расположен в зоне географического макрорегионального экотона степных и пустынно-степных ландшафтов, отличающихся высокими показателями теплообеспеченности и низкими - увлажнения (ГТК 0.5-0.6), невысокой устойчивостью к антропогенному воздействию. В сочетании с низкой лесистостью территории (<3%), широким распространением лессовидных пород и аллювиально-флювиогляциальных песков, а также широким распространением экологически неадаптивных форм природопользования вышеуказанные факторы способствуют активизации экзогенных процессов (абразионных, оползневых, твердого стока, заиления и пр.).
Береговая линия очень изрезана, изобилует заливами и мелкими бухточками. Её протяженность, без учёта берегов заливов, образовавшихся в затопленных устьях рек, составляет 641 км. Из них только в южной части водохранилища абразионные берега имеют протяжённость свыше 200 км, а аккумулятивные - всего 25 км, но в центральной части соотношение прямо противоположное и преобладают низкие ровные берега (Цимлянское., 1977). Побережье водохранилища при его создании объявлено водоохранной зоной с ограниченным режимом природопользования. Таким образом, можно считать, что развивающиеся здесь процессы обусловлены прямым и косвенным воздействием этого искусственного водоема. Ведущие факторы современной динамики природных комплексов наземных ландшафтов побережий - ежегодные колебание уровня водохранилища и направленные изменения (тренды) максимальных, средних и минимальных значений, обусловливающие абразию и аккумуляцию, изменения уровня грунтовых вод и преобразующая деятельность человека.
Материалы и методы
В основу данной работы положены материалы исследований авторов на побережье Цимлянского, водохранилища, выполненные в 2004-2013 гг., данные из фондов Управления водными ресурсами Цимлянского водохранилища за ряд лет (начиная с 1985), и а также обширные материалы научных публикаций.
Исследования базируются на ландшафтно-экологическом подходе: рассмотрение природных комплексов современных побережий и выполняются на локальном уровне, с учетом их принадлежности к определенному типу и виду ландшафтов (рис. 1), что позволяет соотнести конкретные характеристики природных комплексов территорий, испытывающих воздействие
водохранилищ с вмещающими ландшафтами и использовать полученную информацию при прогнозирования в качестве аналоговой.
Рис. 1. Фрагмент Ландшафтной карты (Ландшафтная ..., 1987) на территорию водохранилища и расположение точек обследования. ЦП-1 - ЦП-21 на карте - места заложения топо-экологических профилей:. Fig. 1. Fragment of the landscape map (Landscape., 1987) of the reservoir territory and positions of study sites. ЦП-1 - ЦП-21 фе at the map - Locations topological profile. Условные обозначения: Типы ландшафтов. Степные
Настоящие степи.
Аллювиальные аккумулятивные. 239 б. Надпойменные террасы крупных рек, плоские и волнистые, местами с балками, с сельскохозяйственными землями, участками широколиственно-сосновых и широколиственных лесов. 239 в. Равнины плоские, волнистые (комплекс высоких террас), в придолинных частях с многочисленными оврагами и балками, сельскохозяйственными землями, участками придолинных байрачных широколиственно-сосновых лесов и травяных болот.
Сухостепные
Аллювиальные аккумулятивные. 251 а. Поймы и низкие террасы, плоские, местами гривисто-западинные, с руслами, протоками, озерами-старицами, с лугами, широколиственными лесами, тростниковыми болотами. Лессовые аккумулятивные 255 о. Равнины плоские и пологоволнистые, с широкими балками, в придолинных частях с оврагами, эрозионными бороздами, с западинным микрорельефом, с сельскохозяйственными землями, участками злаковых и полынно-злаковых степей.
Лессовые аккумулятивно-денудационные. 255 х. Равнины пологоволнистые с балками в придолинных частях; 255 ц. Равнины пологоувалистые, в придолинных частях с глубокими балками, оврагами, с западинным микрорельефом, с сельскохозяйственными землями, участками злаковых степей. 255 ч. Равнины преимущественно плоские, с глубокими балками и короткой сетью оврагов, с сельскохозяйственными землями, участками злаковых и полынно-злаковых степей.
Смешанного происхождения аккумулятивно-денудационные. 256 б. Равнины холмисто-грядовые, с балками в придолинных частях, с оврагами, западинным микрорельефом, оползнями с сельскохозяйственными землями, участками злаковых степей.
Legend: Types of landscapes. Steppes
Real steppes
Alluvial accumulative. 239 b. The above-floodplain terraces of large rivers, flat and wavy, in some places with gullies, with agricul- tural lands, areas of deciduous-pine and flat-leaved forests. 239 c. Flat plains, wavy (the complex of high terraces), with numerous ravines and gullies near the valleys, agricultural lands, areas of near-valley ravine deciduous-pine forests and grassy bogs.
Dry steppes
Alluvial accumulative. 251 a. Floodplains and low terraces, flat, in some places mane-depressive, with riverbeds, channels, former riverbed lakes, with meadows, deciduous forests, reed bogs.
Loess-accumulative. 255 n. Flat and gently waved plains, with wide gullies, ravines near the valleys, erosion furrows, depressive micro-relief, with agricultural lands, areas of gramineous and wormwood-gramineous steppes. Loess-accumulative-denudation. 255 u. Gently wavy plains with gullies near the valleys. 255 v. Gently ridged plains, with deep gullies and ravines near valleys, with depression micro-relief, with agricultural lands, areas of gramineous steppes. 255 v. Plains predominantly flat, with deep gullies and short network of ravines, with agricultural lands, areas of gramineous and wormwood- gramineous steppes.
Mixed-origin accumulative-denudation. 256 b Plains hilly ridged, with gullies near the valleys, with ravines, depression micro- relief, landslides with agricultural lands, areas of gramineous steppes.
Цимлянское водохранилище располагается в пределах степной зоны. Примыкающие к нему 8 типов ландшафтов (рис. 1) в разной степени преобразованы под его прямым и косвенным воздействием. К прямому воздействию относятся все процессы и явления, связанные с волноприбойной деятельностью водных масс, периодическим затоплением или осушением прибрежной полосы при сработке вод водохранилища. К косвенному - процессы и явления, связанные с подтоплением земель, подпором водоносных горизонтов подземных вод, а также изменения климатических параметров и характера использования земель (Цимлянское..., 1977).
Сбор экспериментальных данных проводился на основе заложения топо-экологических профилей в каждом из ландшафтов побережий, позволяющих связать данные о разных компонентах природных комплексов в точках наблюдений. В общей сложности в 2004 и 2006 гг. инструментально отснято 18 профилей, на каждом из них заложено от 1 до 8 скважин, на основании которых получены данные, характеризующие уровень и химизм грунтовых вод, морфологические свойства почв, особенности растительности. В 2008, 2009, 2011, 2012 и 2013 гг. были проведены повторные наблюдения на тех же точках в режиме мониторинга. В данной статье внимание обращено на три основных функциональных типа ландшафта - аккумулятивный (профиль ЦП 2), абразионно-аккумулятивный (профили ЦП 4, ЦП 5, ЦП 12), и абразионный (профили ЦП 3, ЦП 6). Эти регулярно обследуемые участки побережья расположены в ландшафтах, указанных на рисунке 1: ЦП 2 - 255ч, ЦП 3- 239б; ЦП 4 - 255о, ЦП 5 - 255о , ЦП 6 - 239б, ЦП 12 - 255ч.
При рассмотрении ландшафтов побережья в их пространственной структуре выделялись три типа участков, испытывающих различное воздействие водохранилища и соответствующих трем блокам экотонной системы в понимании В.С. Залетаева (1997): 1 - длительно заливаемое дно, обнажающееся при сработке уровня, где на открытом побережье ведущую роль играет волноприбойная деятельность водных масс, а в лагунах - аккумуляция наносов (амфибиальный блок); 2 - кратковременно заливаемая часть побережья (динамический блок); 3 - незаливаемая подтопленная территория побережья. Границы участков связывались с положением уровня водохранилища (дистантный блок). Границей между незаливаемой и заливаемой территориями на Цимлянском водохранилище является высотная отметка 36.0 м н.у.м., т.к. выше неё уровень водохранилища не должен подниматься. Граница между дном водохранилища и заливаемой территорией берега на местности маркируется образовавшейся за время существования водохранилища лесополосой, которая располагается на высотных отметках 35.4-36.0 м н.у.м. Отметка 35.4 м н.у.м. соответствует значению 50% обеспеченности заливания, рассчитанной на основании данных по максимальному за год значению положения уровня водохранилища за все годы его существования. Теоретически граница основной акватории, с никогда не обнажающимся дном и амфибиального блока должна проходить по отметке УМО, но практически за нее можно принять отметку 32.6 м. н.у.м., которая была достигнута в 2011 г. когда уровень водохранилища достиг минимального уровня за 27-лений период. Внешняя граница воздействия водохранилища определялась эмпирически, на основании глубины залегания грунтовых вод ниже 3 м от поверхности в весенний период.
Для оценки глубины трансформации природных комплексов исходных ландшафтов под влиянием водохранилища была использована система показателей и критериев: изменение водного режима оценивалось по глубине залегания грунтовых вод (300 см - граница гидроморфных и автоморфных комплексов); изменение почв оценивалось на основании рассмотрения почвенного профиля (увеличение мощности гумусового горизонта при дополнительном увлажнении -свидетельство олуговения; механическое разрушение - размыв верхних горизонтов или аккумуляция - наличие на поверхности гумусового горизонта новых отложений); изменение морфологических признаков почв: при подъёме уровня почвенно-грунтовых вод или их капиллярной каймы появляются сизоватость, гипс, карбонатная плесень или размытые палевые пятна белоглазки (CaCO3 плес.); наличие железистых и марганцевых новообразований и их форма (Fe+Mn). Гидроокисные пленки железа (охристые пятна) - признаки современных процессов смены окислительно-восстановительных условий; б) бобовинки Fe и Mn - могут быть унаследованы от прежних условий формирования почвенно-грунтовой толщи (Новикова, Назаренко, 2007).
Показатели изменения растительности под влиянием увеличения воздействия водного фактора: экология доминирующих и сопутствующих видов в сообществах - преобладание гигро-, гидро- и мезофитов, а также видов, свидетельствующих о нарушении растительного покрова.
Ведущие факторы современной динамики природных комплексов наземных ландшафтов побережий - ежегодные колебание уровня водохранилища и направленные изменения (тренды) максимальных, средних и минимальных значений; абразионно-аккумулятивные процессы, направленные изменения уровня грунтовых вод и преобразующая деятельность человека.
Положение уровня водохранилища оказывает особенно сильное влияние на прибрежные комплексы в вегетационный сезон (апрель - октябрь). В это время уровень колеблется в диапазоне 32.50 - 36.01 м (по данным за 10 лет). Проведённые полевые работы в 2004-2013 гг. приходятся на летние месяцы (табл. 1). В 2008 году наблюдения были проведены в раннелетний период, в остальные годы - в позднелетний. В 2012 г. наблюдения были проведены в оба периода.
Во время натурных наблюдений наиболее высокие значения уровня приходятся на первые годы, 2006, 2004 и июнь 2012 гг. По датам они приходятся на первую половину лета. В 2008-2013 гг. наблюдения проводились примерно в одни и те же даты во второй половине августа. Уровень водохранилища в это время был ниже по отношению к уровню наблюдений 2004 г. (табл. 1), а самые низкие его значения оказались в августе 2011 г. В 2009 и 2013 гг. уровень водохранилища был ниже бровки берега и территория динамического блока не заливалась несколько лет подряд.
Проведенный анализ связи годовых сумм осадков с максимальным и средним значениями уровня водохранилища не выявили статистически значимой связи, однако рассмотрение таблицы 1 показывает, что в годы с наиболее высокой годовой суммой осадков уровень водохранилища на дату наблюдений был более высоким. Так, при среднемноголетнем значении годовой суммы осадков (за период с 1953 по 2013 гг.) 443 мм, осадки в 2006 - 2008 и 2011 - 2013 годы отличались пониженным атмосферным увлажнением.
Таблица 1. Положение уровня водохранилища на дату наблюдений в разные годы. Table 1. The position of the reservoir water level on the observation dates in various years.
Характеристики Год наблюдения
2004 2006* 2008 2009 2011 2012 2013
Годовая сумма осадков за 702 408 418 449 398 323 251
год, мм
Дата наблюдений, 15-25.7 18-22.6 18-22.8 14-26.8 13-24.8 09-12.6 20-24.8 24-26.8
д-д.м.
Уровень водохранилища, м 35.3 35.6 34.7 33.5 32.6 34.83 33.93 34.07
по отношению к 2004 г 0 +0.3 -0.6 -1.8 -2.7 -0,6 -1.4 -1.2
по отношению к НПУ -0.7 -0.4 -1.3 -2.5 -3.4 -1.17 -2.07 -1.93
Примечание: * - Были обследованы не все профили. Note: * - Not all profiles were studied.
Для характеристики природных комплексов побережий выбраны данные по годам с наиболее контрастным ходом уровня водохранилища (рис. 2): 2004 г. - с максимально высоким положением уровня за годы наблюдений, с выходом воды за бровку и заливанием побережья; 2011 г. - с одним из наиболее низких положений уровня за ряд лет, вода не достигла бровки берега. Кроме того, этот год следует за двумя другими, кода побережье не заливалось, а уровень упал в вегетационный период на 2.8 м ниже бровки берега; и 2012 г. - как год со средним положением уровня, но не превысившим бровки. Рассмотрение функционирования экотонной системы ведется по блокам, отражающим разное воздействие водохранилища на акваторию и территорию побережья: амфибиальный -периодически обнажающееся дно; динамический - кратковременное заливание; дистантный -незаливаемая территория, с уровнем грунтовых вод около 3 м.
Н м БС
2004 —■—2006 —А—2008 —«—2009 —А—2011 —■—2012 —•—2013
Рис. 2. Изменение уровня водохранилища в годы наблюдений. Fig. 2. Changes in the reservoir water level in observation years.
Результаты и обсуждение
Многолетние наблюдения позволили получить представление о протяженности и функционировании основных блоков экотонной системы «вода-суша» на побережье Цимлянского водохранилища. Наибольшую протяженность (рис. 3) в сравнении с другими блоками имеет амфибиальный (40-540 м), но частота его полного освобождения невелика. Следующим по протяженности идет динамический блок (15-189 м) - с кратковременным заливанием. В годы с осадками ниже нормы, как правило, заливание отсутствует. Такая ситуация может наблюдаться несколько лет подряд. Дистантный блок, в силу хорошо выраженной крутизны побережья, выражен слабо. Его протяженность в разных ландшафтах изменяется от 20 до 60 м. Из-за сохраняющейся абразии побережий тенденция переформирования рельефа такова, что территория динамического блока на побережье сокращается и его роль начинает выполнять узкая полоска дна водохранилища перед береговым уступом. Подобная ситуация сложилась на побережье в ландшафте 239б (рис. 1) и наблюдается на профиле ЦП 3 и ЦП 6. За 10 лет наблюдений (2004-2014 гг.) по данным инструментально отснятого топо-экологического профиля протяженность обрушения составила 3 м.
ТТП12 ТТШ
vzzzzZzzzz^
и
ТТП4
ЦП3
ЦП2
□ 1 Н2 Q3
-600 -500 -400 -300 -200 -100 0
Расстояние, м
100
200
300
Рис. 3. Протяженность блоков экотонной системы «вода-суша» на Цимлянском водохранилище. Fig. 3. The extensions of the "water-land" ecotone system blocks at the Tsimlyansk Reservoir:
Условные обозначения: 1 - обнажающееся дно (амфибиальный блок), 2 - территория кратковременного заливания (динамический блок); 3 - незаливаемая территория с близко залегающими грунтовыми водами (дистантный блок). Note: 1. Exposed bottom (amphibial block); 2. Short-term flooded territory (dynamic block); 3. Nonflooded territory with shallow-level groundwater (distant block).
Обнажающееся дно (амфибиальный блок экотона) в зоне сработки водохранилища каждый год отличается по протяжённости в зависимости от положения уровня. За время наших наблюдений максимальная протяжённость обнажившегося дна отмечалась в августе 2011 г. при положении уровня воды водохранилища равном 32.6 м н.у.м. и изменялась в разных ландшафтах от 40 до 530 м. Наибольшие значения отмечены на побережье в приплотинной части (на профиле ЦП 6). На открытом побережье абразионного и абразионно-аккумулятивного типа почвы и растительность исходного ландшафта разрушены, также смыта и часть материнской породы, переход от дна к берегу часто отмечен уступом разной высоты. На обнажившемся дне вскрывается глинистая сцементированная поверхность. Грунтовые воды располагаются на глубине от 50 до 150 см. Их минерализация различается в разных ландшафтах и колеблется от 2 до 7 г/л, и не всегда ниже, чем минерализация грунтовых вод на побережье в том же ландшафте. Зарастание идёт от берега, где территория раньше освобождается от воды. От уреза воды проростки в августе отмечены на расстоянии от 30 до 280 м в зависимости от крутизны поверхности. Видовое разнообразие невысокое - всего за время наблюдений встречено 52 вида. На каждом участке побережья их количество колеблется от 5 до 20. Наиболее часто встречаются проростки древесных видов, произрастающих на берегу: тополя чёрного (Populus nigra2), ивы белой (Salix alba), лоха длиннолистного (Elaeagnus angustifolia), также виды мари: красная, городская, сизая (Chenopodium rubrum, C. urbicum, C. glaucum). В годы, когда максимальный подъём уровня не превышает 35.4 м, вдоль границы с берегом формируются береговые валы высотой 50 см и шириной до 1-1.5 м. На северном побережье они сформированы из песка, а на южном, в приплотинной части - из ракуши.
В лагунах, на побережье аккумулятивного типа, обнажающаяся от воды территория занята моноценозами высокотравья, в которых доминируют рогоз широколистный (Typha latifolia) и тростник (Phragmites australis). На невысоких старых береговых валах встречаются старые экземпляры ивы белой. Ближе к берегу в тростнике появляются кустарниковые виды ив (Salix viminalis, S. triandra). Здесь формируется самая высокая на побережье первичная продуктивность. Вес надземной фитомассы в абсолютно сухом весе достигает 3.4 кг/м2, в то время как наиболее пышно развитая бурьянистая растительность на береговых валах открытого побережья - около 1 кг/м2, а на прочей территории дна, ближе к урезу - не превышает 20 г/м2. Переход от дна к берегу на открытом побережье чаще всего обозначен уступом разной высоты, в лагуне он обозначается в растительности достаточно заметно - по резкому окончанию стояния тростниковой крепи высотой около 3 м.
Заливаемый участок берега (динамический блок экотона) располагается на высотных отметках 35.4-36.0 м над у.м. Протяжённость его очень невелика и на большей части побережья ограничивается несколькими десятками метров. Наибольшую протяжённость - 189 м - он имеет в исходно гидроморфном аллювиальном ландшафте высокой надпойменной террасы Дона (рис.1, контур 239б, профиль ЦП 6) в приплотинной части, и в верхнем плёсе, в восточной части водохранилища на южном побережье в преобразованном водохранилищем аллювиальном аккумулятивном ландшафте пойм и низких террас (рис. 1, контур 251а, профиль ЦП 21). Грунтовые воды весной располагаются на глубине от 70 до 100 см, а к осени снижаются до 3 м. Наши исследования показывают, что их уровень следует за уровнем водохранилища (Новикова и др., 2011), т.к. они здесь, как и в других ландшафтах побережья, находятся в подпоре со стороны водохранилища. На этой территории сохраняются тёмнокаштановые и каштановые почвы исходных ландшафтов. Они часто не засолены или имеют невысокое засоление (от слабого до среднего, табл. 2). Несмотря на заливание и близкое залегание грунтовых вод, они претерпели слабую трансформацию. В аккумулятивных типах побережья обычно отмечается размыв верхних горизонтов и перекрывание их маломощными песчано-ракушечными наносами. В почвенном профиле признаки современного гидроморфизма, там, где застаиваются поверхностные воды, отмечаются в виде охристости и сизоватости верхних горизонтов. Эта территория побережья отличается наиболее высоким видовым богатством растительности. Здесь встречено 110 видов растений, в том числе 11 видов деревьев и кустарников. В сообществах на геоботанической площадке 10x10 м отмечается до 30 видов. Растительность представлена сообществами лугового типа с доминированием злаков: вейника наземного (Calamagrostis epigeios), пырея ползучего (Elytrigia repens), мятлика длиннолистного (Poa
2 Латинские названия даны по С.К. Черепанову (1995)
angustifolia), с участием разнотравья солодки шиповатой (Glycyrrhiza echinata), зубровки душистой (Hierochloe odorata), мяты луговой (Mentha arvense) и др. По экологии преобладают виды мезофиты и ксеро-мезофиты. Отличительной чертой растительности этой территории является лесополосы, сформировавшиеся естественным путём вдоль кромки заливания в весенний период. Господство принадлежит тополю чёрному и иве белой. На отдельных участках побережья присутствуют тамарикс многоветвистый (Tamarix ramosissima) и лох длиннолистный (Elaeagnus angustifolia). Формирование новых древесных сообществ отмечается вдоль уже существующих лесополос в годы с низким стоянием уровня воды. Переход от заливаемой к незаливаемой территории происходит постепенно, но в ряде участков также маркирован невысоким уступом.
Таблица 2. Засоление почв в динамическом блоке в разных ландшафтных условиях. Table 2. Salinity of soils in
the dynamic block in various landscape conditions.
Ландшафт* Степень засоления по сухому остатку, % (почвы хлоридно-сульфатного типа засоления)
нет засоления (0-0.25) слабое (0.25-0.5) среднее (0.5-1) высокое (>1.1)
(239 б) 0.08-0.34
(251 а) 0.04-0.72
(255 о) 0.05-1.12
(255 ц) 0.02-0.67
(255 ч) 0.06-0.12
Примечание: * - Характеристика ландшафтов приведена на рисунке 1. Note: Landscape features are shown in the table 1. Extent of salinity by dry residue, % (the soils of chloride-sulfate type of salinity).
Подтопленная территория (дистантный блок экотона) - незаливаемая территория с близко залегающими к поверхности грунтовыми водами. Протяжённость этой территории небольшая и колеблется в разных ландшафтных условиях в пределах нескольких десятков метров (рис. 3). Грунтовые воды в весенний период при средней водности года залегают на глубине 180-200 см и опускаются к осени вслед за падением уровня водохранилища до 300-400 см. В маловодные годы -такие, каким был 2011 г. - они снижаются более чем на 5 м. Минерализация грунтовых вод близка минерализации грунтовых вод заливаемой территории. Почвы сохраняют тип исходного ландшафта, но в их профиле, на глубине 3 и более метров встречен гипс, образование которого может быть связано с каймой грунтовых вод. В растительности ещё присутствуют следы луговости, господство имеют ксеромезофиты и виды исходного ландшафта - мезоксерофиты.
Разногодичные изменения компонентов природных комплексов обусловлены переменой характера влагообеспеченности, и, в первую очередь, связаны с колебаниями уровня водоёма и глубины залегания грунтовых вод. Данные показывают, что в период 2004-2011 гг. (рис. 4) вслед за снижением уровня в даты наблюдений с 35.3 м до 32.6 м, (почти на 3 м, табл. 1), уровень грунтовых вод за годы наблюдений существенно снизился во всех скважинах побережья в сравнении с 2004 г.
При этом уровень был относительно стабильным в первые годы в скважинах у уреза воды, т.к. еще поддерживался водами водохранилища, но резко упал в 2011 г. В других скважинах заглубление грунтовых вод вслед за падением уровня водохранилища происходило постепенно. Т.е. в заливаемом (динамическом) блоке, как и следовало ожидать, связь грунтовых вод с водами водохранилища более тесная.
Гидрогенная трансформация почв происходит очень медленными темпами, поэтому ни в одной из скважин на всех типах побережий не отмечалось разногодичных изменений признаков современного гидроморфизма. Засоление почв - признак, характерный для ландшафтов, испытывающих недостаток атмосферного увлажнения. В степной зоне степень трансформации почв территорий, подверженных влиянию крупных водохранилищ, во многом зависит от пород слагающих дно и берега водоема, а также химического состава и степени минерализации поверхностных и грунтовых вод в том или ином ландшафте. Наши исследования показали, что засоление практически отсутствует во всех ландшафтах подзоны настоящих степей (рис.1, ландшафт 239 б, в, е), достигает средней степени в ландшафтах сухих степей. В то же время в подзоне сухих степей (рис.1, табл.2,
ландшафт 255 ч) в условиях влияния пресных вод Цимлянского водохранилища почвы также не засолены, что можно отнести к проявлению региональных особенностей.
ЦП2-2 ЦП2-3 ЦП6-1 ЦП6-2 ЦП6-3 ЦП6-4 ЦП6-5 ЦП12-1 ЦП12-2 ЦП12-3
100 -■
200 -■
300 -■
400 -■
500 -■
1
I
600 -J-.
УГВ, см
I
1
а
в
i
I
i
□ i . D2 □ 3 ' П4
Рис. 4. Изменение уровня грунтовых вод в скважинах на топо-экологических профилях в разные годы при разном стоянии уровня во время наблюдений. Fig. 4. Changes in the level of groundwater in wells at the topo-ecological profiles in various years at various levels during the observation period.
Условные обозначения: 1 - 2004 г. (самый высокий), 2 - 2011 г. (самый низкий), 3 - 2012 (средний уровень, без заливания побережья )июнь), 4 - 2012 г. август. Legend: 1 - 2004 (the highest); 2 - 2011 (the lowest); 3 - 2012 (medium level, sans flooding of the coasts), June; 4 - 2012, August.
0
Растительность района Цимлянского водохранилища относится к сухим степям, представленным типчаково-ковыльными с участием бедного разнотравья и полынными сообществами. На правобережье местами сохранились белополынно-житняковые степи с пятнами чернополынников, ромашниковых и прутняковых сообществ. На левобережье еще встречаются участки белополынно-ромашниковых степей со значительным участием пятен чернополынных и камфоросмовых группировок (Карта..., 1980).
В процессе работы на топо-экологических профилях был составлен список встреченных видов растений. Он включает в себя 157 видов высших сосудистых растений из 29 семейств. Ведущими являются характерные для степной зоны семейства: Asteraceae, Poaceae, Fabaceae, Chenopodiaceae, Labiatae, Polygonaceae.
Растительность в разных блоках экотонной территории отвечала на общую тенденцию сокращения влагообеспеченности снижением общего проективного покрытия в сообществах со 100% до 90 и 80%, уменьшением обилия гидрофильных видов, исчезновением из состава сообщества ряда видов, характерных для условий средней поёмности (Hierochloe odorata, Bolboshoenus maritimus и др.) и появлении инвазийных видов (Melilotus album, Xanthium strumarium и др.). В динамическом блоке в сообществах доминирование от Bromopsis inermis (2004 г.) перешло к Calamagrostis epigeios (2008-2011 гг.). Количество видов на стандартных площадках 10х10 м сократилось с 16-12 до 10-8. На незаливаемой территории (в дистантном блоке) изменения в растительности менее заметны, но также проявились в сокращении проективного покрытия. Таким образом, наши наблюдения позволяют сделать вывод о том, что при направленных и разногодичных колебаниях уровня водохранилища наибольшие изменения происходят в положении УГВ и растительности динамического блока, и в направлении от уреза воды они постепенно затухают.
В растительном покрове влияние водохранилища прослеживается очень чётко: амфибиальный блок лишён и почвенного покрова, и постоянной растительности, при его освобождении от воды происходит бурное появление проростков, которые в отсутствии заливания в течение 2-3-х лет формируют бурьянистые сообщества на временных формах рельефа - прирусловых валах. В динамическом блоке, в условиях весеннее-летнего заливания и активной аккумуляции песка, сформировалось ивово-осокоревое сообщество с сомкнутым пологом. В составе постоянно нарушаемой растительности этого блока присутствуют заносные виды: древесные - маклюра (Morus nigra) и тамарикс многоветвистый (Tamarix ramosissima), кустарник смородина золотистая (Ribes aureum). В дистантном блоке деревья и кустарники отсутствуют, травяный покров представлен бурьянистой растительностью из-за постоянных нарушений при использовании пашни, располагающейся в маргинально блоке, не подверженной гидрогенному влиянию водохранилища.
Для экотонных территорий побережий водоемов с пресными водами можно выделить несколько типичных пространственных рядов: на аккумулятивных побережьях степных и сухостепных ландшафтов: рогозово-тростниковые сообщества на иловато-болотных почвах амфибиального блока - длиннолистномятликово-пырейно-ивовые на черноземно-луговых почвах динамического блока -вейниково-разнотравные на лугово-черноземных и черноземных почвах дистантного блока. Стояние уреза воды часто обозначается редкими кустами тамариксов (Tamarix elongata, T. hispida, T. ramosissima). В дистантном блоке доминирование переходит к типчаку (Festuca valesiaca), степному разнотравью, появляются ковыли.
Общее проективное покрытие, количество видов в экотонной системе стремятся к увеличению в направлении от берега, что можно объяснить возрастанием разнообразия условий в биотопе и снижением экстремальности факторов. Необходимо упомянуть о фундаментальном свойстве экотонов - экосистемы, в том числе и растительные сообщества, являются открытыми, в них легко проникают, расселяются и периодически дают вспышки массового развития инвазийные виды, преимущественно однолетники: дурнишники колючий, белый (Xanthium strumarium, X. albinum), циклахена дурнишниколистная (Cyclachaene xanthiifolia), бодяк полевой (Cirsium vulgare), донник желтый (Melilotus officinalis) и др.
Основным внешним фактором, обусловливающим динамику природных комплексов побережья, испытывающей прямое и косвенное воздействие, является уровень водохранилища созданного водоёма и особенности его регулирования.
Минерализация вод Цимлянского водохранилища колеблется в пределах 0.28-0.86 г/л и относится к категории пресных. Тип засоления вод Cl-SO4.
Воды водохранилищ имеют гидравлическую связь с подземными водами прилегающих территорий, часто создают условия подпора и на этом участке в степной зоне оказываются менее минерализованными и распресняют их. Это подтвердили и наши исследования. Для ландшафтов прибрежной зоны Цимлянского водохранилища характерна, в основном, средняя степень минерализации грунтовых вод, химизм засоления меняется с хлоридно-сульфатного на сульфатно-хлоридный.
Изменение уровня водохранилища в наибольшей степени отражает особенности его функционирования и позволяет рассмотреть разные виды воздействия на территорию побережья. С экологических позиций важны абсолютные за год его максимальные и минимальные значения, т.к. они определяют территорию, подвергающуюся заливанию. Помимо этого, изменение уровня водохранилища за ряд лет определяет, с какой частотой и длительностью происходит заливание той или иной высотной отметки. Изменение указанных характеристик уровня водохранилища во времени позволяет оценить тенденцию изменения пространственной структуры побережья (протяжённости блоков) и экологических условий не только на территории амфибиального и динамического блоков, но и дистантного, поскольку, как показывают наши исследования на Цимлянском водохранилище, с колебаниями уровня связано изменение положения уровня грунтовых вод и их химизм.
Однако уровень водохранилища в разные годы изменяется в очень широких пределах, и устойчивые изменения могут привести к перестройке границ блоков и структуры экотонной системы. Рассмотрение данных многолетнего ряда наблюдений позволило выявить статистически незначимые тенденции снижения максимальных и роста средних его значений (рис. 5). В то же время минимальные значения уровня выросли с 31.5 до 33.2 м н.у.м.
Особенности изменения уровня можно объяснить тем, что в настоящее время в условиях заполнения чаши водоёма наносами и всё увеличивающейся транспортной нагрузки для обеспечения судоходства необходимо поддержание высокого уровня при небольшой годовой амплитуде. Выявленная тенденция направленного повышения заливаемых высотных отметок и снижения амплитуды колебания уровня водохранилища важна для понимания того, что граница амфибиального и динамического блоков продолжит перемещение вглубь суши, т.е. абразия берегов и разрушение фиксирующих их лесополос продолжатся. Таким образом, протяжённость заливаемой части (динамического блока) на открытом побережье сокращается, и со временем, когда высотные отметки бровки берега превысят НПУ, этот блок переместится на дно водохранилища. В настоящее время мы подобное явление наблюдаем на профиле ЦП 3, где каждый сезон после весенней сработки уровня происходит хорошее зарастание обнажённого дна путем семенного возобновления древесных видов, травянистых многолетников и однолетников, но при новом сезонном подъёме уровня волновая
деятельность разрушает все проростки, не успевшее закрепиться. В условиях маловодных лет здесь сможет сформироваться подрост из древесных видов, который со временем вновь образует кайму из лесополос на побережье.
39 37 35 33 31 29 27 25
H абс.,м
среднемноголетнии уровень
y = 0,0105xj+ 12,917 0,21
1950
минимальныи уровень y = 0,0296x - 26,407
максимальный уровень y = -0,0048x + 44,665
r=0,57
= - 0,08
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
1
2
-к-3
Рис. 5. Изменение уровня Цимлянского водохранилища с 1953 по 2013 гг. Fig. 5. Changes in the Tsimlyansk reservoir water level from 1953 to 2013.
Условные обозначения: 1 - среднегодовое значение, 2 - абсолютный годовой максимум, 3 - абсолютный годовой минимум и их линейные тренды. Legend: 1 - mean annual values; 2 - absolute annual maximum; 3 -absolute annual minimum and their linear trends.
Выводы
Природные комплексы на побережье Цимлянского водохранилища, спустя почти 60 лет после его создания, всё ещё находится в развитии. Разногодичные изменения, обусловленные колебанием уровня, приводят к переформированию рельефа, изменению уровня грунтовых вод, поддерживают саморазвитие биологических компонентов экосистем. На всех участках с разным характером воздействия водохранилища развиваются короткоживущие процессы, способствующие флуктуационным изменениям компонентов природных комплексов - растительности и почв.
Многолетние наблюдения позволили выявить протяженность функциональных блоков экотонной системы «вода суша» от уреза воды вглубь суши. Оказалось, что в годы, когда в вегетационный период уровень снижается на 3.4 м ниже НПУ до отметки 32.6 (2011 г.), вода от берега уходит на 200-500 м, причем максимальные значения характерны для приплотинной части побережья. При отступлении воды на обсыхающем дне на всех типах ландшафтов побережья помимо проростков травянистых видов в значительном количестве присутствуют проростки древесных - тополя черного и ивы белой.
Максимальные значения уровня водохранилища имеют тенденцию к снижению, а минимальные и средние - к повышению, амплитуда его колебания в году - к уменьшению, и в последние годы редко превышает 2 м. Все эти существующие тенденции способствуют развитию абразионных процессов, сокращению протяженности кратковременно заливаемой территории за бровкой берега, что в настоящее время угрожает существованию лесополосы, сформировавшейся на побережье на высотной отметке 35.5 м н.у.м. Статистически значимой зависимости положения уровня грунтовых вод от осадков не установлено, но в последние 10 лет в годы с осадками ниже среднемноголетних значений уровень вохранилища не выходит за береговую линию.
Разногодичные и сезонные колебания глубины залегания грунтовых вод связаны с уровнем водохранилища, и затухают в направлении от уреза воды. Подтоплению подвержена территория на расстоянии 200 м от береговой линии.
На побережье водохранилища встречено 157 видов сосудистых растений. Из них 11 - деревья и кустарники. Максимальное видовое богатство растительности (110 видов) приходится на кратковременно заливаемые участки побережья (динамический блок). Максимальная первичная продуктивность (3.4 кг/м2) зарегистрирована в амфибиальном блоке, в поясе тростниковых плавней.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Балюк Т.В., Кутузов А.В. 2006. Методы выявления состава и структуры экотонной системы «вода-суша» на
побережье Цимлянского водохранилища // Аридные экосистемы. T. 12. № 30-31. С. 68-78. Залетаев В.С. 1997. Структурная организация экотонов в контексте управления // Экотоны в биосфере. М.:
РАСХН. С. 11-29. Карта «Растительность Европейской части СССР». 1980. М.: ГУГК. Отчёт Управления Цимлянского водохранилища. Цимлянск. 2007. 128 С.
Цимлянское, водораздельные и Манычские водохранилища. 1977./ Ред. В.А. Знаменский и В. М. Гейтенко. Л.:
Гидрометеоиздат. 203 с. Ландшафтная карта СССР. 1987. Масштаб 1:2 500 000. М.: Мин-во геологии.
Новикова Н.М., Назаренко О.Г. 2007. Современный гидроморфизм: процессы, формы, проявления, признаки //
Аридные экосистемы. Т. 13. № 33-34. С. 70-82. Новикова Н.М., Назаренко О.Г., Кутузов А.В. 2011. Динамика экотонной системы побережий под влиянием колебания уровня водохранилища // Экотонные системы «вода-суша»: методика исследований, структурно-функциональная организация и динамика. М.: Тов-во науч. изд. КМК. 219-236. Новикова Н.М., Уланова С.С. 2012. Искусственные водоемы Калмыкии: режим, использование,
природоохранное значение // Изменение природной среды России в ХХ веке. М.: Молнет. С. 288-306. Черепанов С.К. 1995.Сосудистые растения России и сопредельных государств. Санкт-Петербург. Мир и семья-95. 992 С.
FUNCTIONING OF ECOTONE SYSTEMS AT THE TSIMLYANSK RESERVOIR SHORES © 2014. N.M. Novikova*, N.A. Volkova*, O.G. Nazarenko**
* Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences Russia, 119333 Moscow, Gubkina Str. 3. E-mail: [email protected] ** Rostov State Center of Agrochemical Service Russia, 346493 Rostov region, Aksayskii raion, Rassvetposelok. E-mail: [email protected]
The paper describes changes in environmental factors (reservoir water level, depths of groundwaters and their mineralization) of the "water-land" ecotone system and the ecosystem components (soils and vegetation) at various types of Tsimlyansk Reservoir coastal areas. The study is based on field monitoring surveys conducted from 2004-2013. It was revealed that maximal levels of the reservoir water exhibit trended toward a decrease, while the minimal and medium trended toward an increase. The amplitude of the water level fluctuations over the last few years seldom exceeded 2 m and showed a tendency to decrease. The aforementioned dynamics facilitate continuation of the abrasion processes and a decrease in the areas of short- term flooded territories outside the coastline. This endangers the belt forest formed at the shores at the height of 35.5 m above the sea level. No statistically significant dependence of the groundwater level on atmospheric precipitation was revealed, but the reservoir level did not expand past the coastline over the last few years, with below-average annual precipitation values. Multiannual and seasonal fluctuations in the depths of groundwaters relate to the reservoir water level. Areas situated at a distance of not more than 200 m from the coastline are subject to flooding. In total, 157 species of vascular plants (11 species are trees and shrubs) were recorded at the reservoir shore area. Maximal species richness (110 species) was found at shore areas subject to short-term flooding (the dynamic block). Maximal values of primary production were registered in the amphibial block, within the belt of reed-overgrown overflow lands.
Keywords: reservoir, level, coast, "land-water" ecotone system, functional blocks, fluctuation, directed changes, abrasion, groundwaters, gleization, soil salinization, ecological groups of vegetation, hydromorphization, halophytization.
