CC BY
31
УДК 581.526.33
ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕЗИСА ВОДОРАЗДЕЛЬНЫХ И ПОЙМЕННЫХ БОЛОТ ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ
Е. М. Волкова, М. М. Калинина, А. В. Дорогова
Рассматриваются этапы развития пойменных и водораздельных болот, сформированных в разных геолого-гидрологических условиях Тульской области. Показано, что подстилающие породы, минерализация питающих вод и режим увлажнения определяют характер палеорастительности, продолжительность ее существования и возможность смены, а также интенсивность торфообразовательного процесса для разных типов болот.
Ключевые слова: болотные экосистемы, торфяные отложения, генезис, Тульская область.
Введение
Тульская область характеризуется весьма низкой заболоченностью (менее 0,1%), но, тем не менее, на этой территории болота формируются в разных геоморфологических условиях и при разном водно-минеральном питании [1]. Наиболее заболочены поймы рек - пойменные болота занимают более 80% от общей площади болот региона. Однако, именно эти болота подверглись интенсивному антропогенному воздействию, поэтому торфяные отложения часто разработаны, что не позволяет получить достоверную информацию о времени возникновения и направлениях развития болот. Водораздельные болота, напротив, занимают небольшие площади (0,5-1 га), формируясь в карстово-суффозионных депрессиях. Наиболее часто они развиваются на территориях с активной неотектоникой [2]. В количественном отношении такие болота являются самыми многочисленными, поскольку образуются в разных геолого-гидрологических условиях Тульской области.
Объекты и методы исследования
Специфика подстилающих пород, минерализация питающих вод и гидрологический режим пойменных и водораздельных болот обуславливают отличия в направлениях их развития, что, в свою очередь, сказывается на строении торфяных залежей и характере современной растительности. Для выявления особенностей развития болот в разных геоморфологических условиях были выбраны следующие модельные объекты:
- Большеберезовское болото - сформировано в пойме р. Непрядва (приток Дона) у д. Большая Березовка (Богородицкий р-н), торфяная залежь имеет мощность 2 м и подстилается аллювиальными глинами,
эвтрофная растительность представлена березово-тростниковым (Betula pubescens-Phragmites australis) сообществом;
- болото Источек - сформировано в карстово-суффозионном понижении на водоразделе у д. Ясная Поляна (Щекинский р-н), торфяная залежь мощностью 5,5 м подстилается делювиальными суглинками, эвтрофная растительность представлена березово-сфагновым (Betula pubescens-Sphagnum centrale) сообществом;
- болото Клюква - сформировано в карстово-суффозионном понижении на склоне водораздела между дд. Кураково и Хутора (Белевский р-н), торфяная залежь мощностью 2,5 м подстилается зандровыми песчаными отложениями, олиготрофная растительность представлена сосново-пушицево-сфагновым (Pinus sylvestris-Eriophorum vaginatum-Sphagnum angustifolium) сообществом.
Для изучения генезиса модельных болот проводили бурение торфяных залежей в наиболее глубоких частях болот при помощи торфяного бура конструкции Инсторфа. В точке бурения проводили послойный отбор образцов торфа (каждые 10 см либо по мере изменения морфологических показателей торфа) в пластиковые пакеты. До проведения анализа образцы торфа хранили в холодильнике. В отобранных образцах определяли степень разложения (%) и состав растительных остатков микроскопическим методом [3]. Построенные стратиграфические диаграммы ботанического состава исследованных колонок торфяных отложений в программе «Korpi» [4] позволили реконструировать этапы развития болот.
Для определения времени начала болотообразовательного процесса и «возраста» конкретных палеосообществ, а также скорости вертикального прироста торфа проведено определение абсолютного возраста торфяных образцов в Радиоуглеродной лаборатории Института географии РАН (Москва). Полученные результаты по С14 калибровали [5] и при расчетах вертикального прироста торфяных отложений использовали истинный возраст образцов.
Результаты и обсуждение
Изучение торфяных залежей модельных болот позволило выявить отличия в их составе и структуре. Результаты ботанического анализа торфяных отложений представлены на рис. 1, 3, 5, что позволяет проследить динамику растительного покрова в процессе развития пойменного и водораздельных болот. Интенсивность торфообразовательного процесса на модельных болотах отражают рис. 2, 4, 6.
Пойменное Большеберезовское болото образовалось 7240±70 лет назад (атлантический период голоцена) в старичном понижении поймы Непрядвы [6-8]. Использование в питании аллювиальных и
выклинивающихся грунтовых вод способствовало формированию эвтрофной палеорастительности, представленной тростниковым (Phragmites australis) сообществом с участием Comarum palustre, Carex sp., зеленых мхов. В конце суббореального - начале субатлантического периода в составе палеосообществ появляются древесные породы (этому периоду соответствует торф на глубине 90-130 см), а в верхнем 30-см слое торфяной залежи - остатки Carex rostrata, Scirpus sylvaticus, Filipendula ulmaria и др., что обусловлено снижением влажности биотопа в результате осушения болота. Однако, несмотря на присутствие этих видов, доминирование тростника сохраняется. Это характеризует стабильность водно-минерального питания болота и означает наличие в генезисе болота только одной - тростниковой - стадии, относящейся в эвтрофному этапу (рис. 1). Высокая минерализация болотных вод (320-445 мг/л) обеспечила сохранение эвтрофного характера растительности и в настоящее время. Появление древесного яруса и формирование березово-тростникового сообщества - результат влияния осушения болота.
Важным фактором, определяющим динамику развития болот, является вертикальный прирост торфа. Этот показатель зависит, прежде всего, от гидрологического режима, который влияет на интенсивность разложения отмерших растительных остатков. Сезонно-изменчивый гидрологический режим Большеберезовского болота, сопровождающийся активным обводнением весной и снижением уровня залегания болотных вод в летне-осенний период (амплитуда составляет до 60 см), обеспечивает аэрацию корнеобитаемого горизонта и активную трансформацию отмерших растительных остатков. Степень разложения торфа достигает, в среднем, 45-55% (иногда - до 60-70%), что свидетельствует о низкой скорости вертикального прироста торфяных отложений. Имеющиеся датировки образцов торфов на разных глубинах торфяной залежи Большеберезовского болота позволили рассчитать скорость торфообразовательного процесса [8], которая варьирует от 0,2 до 1,8 мм/год, причем максимальные показатели отмечены для суббореального и начала субатлантического периодов (рис. 2), что, возможно, связано с климатическими показателями и гидрологическим режимом реки. Осушение болота в 70-ых годах 20 века способствовало не только изменению его растительности, но и снижению показателей прироста в результате минерализации торфяных отложений в верхних горизонтах залежи. Средние значения вертикального прироста торфа на болоте составляют 0,5-0,6 мм/год.
Таким образом, режим увлажнения и водно-минерального питания пойменного Большеберезовского болота обеспечили стабильность в его развитии, что проявляется в наличии тростникового палеосообщества в генезисе болота и сохранении скорости вертикального прироста торфа.
Рис. 1. Стратиграфическая диаграмма Большеберезовского болота (эвтрофный этап: 1 - тростниковая стадия)
2 1,8
о
# # # ^ / / ^ & # f ^
Возраст, лет
Рис. 2. Динамика вертикального прироста торфа Большеберезовского болота
Водораздельные болота образуются в депрессиях карстово-суффозионного происхождения. Их развитие зависит от минерализации питающих вод и интенсивности обводнения депрессии, что, в свою очередь, определяется характером подстилающих пород.
Болото Источек образовалось в понижении с умеренным увлажнением в конце атлантического периода голоцена - 6575±100 лет назад [9]. На начальной стадии заболачивания сформировалось эвтрофное древесно-травяное сообщество с участием трав, гипновых (Drepanocladus sp.) и, редко, сфагновых мхов (рис. 3, 1-ая стадия). Накопление стекающих поверхностных (делювиальных) и/или выклинивающихся грунтовых вод способствовало увеличению обводнения понижения, что обеспечило смену древесно-травяных палеоценозов вначале гипновыми, затем -травяно-гипновыми и травяными палеоценозами (с Scirpus sylvaticus, Menyanthes trifoliata, Calla palustris, Comarum palustre, Typha sp., злаки, др.) (рис. 3, 2-3-я стадии). При этом, минерализация питающих вод оставалась высокой, что сохранило эвтрофный характер палеорастительности.
На глубине 435-445 см встречается прослойка древесного торфа, что диагностирует некоторое снижение влажности биотопа (рис. 3, 4-ая стадия). Тем не менее, накопившиеся на дне понижения воды, не способствовали активному разложению отмерших растительных остатков
и потому скорость вертикального прироста торфяных отложений составляла 0,8 мм/год (рис. 4).
Позднее, 5-5,5 тыс. лет назад, при увеличении увлажнения климата [10] скорость торфообразовательного процесса возрастает до 1,9 мм/год (рис. 4), что коррелирует с возникновением травяно-гипновых и древесно-травяных палеосообществ (рис. 3, 5-ая и 6-ая стадии). Уменьшение количества выпадающих осадков в суббореальный период [9, 11] обеспечило не только снижение интенсивности прироста торфа (до 0,9 и 0,5 мм/год), но и способствовало внедрению сфагновых мхов (Sphagnum squarrosum, S. teres, S. subsecundum, S. fimbriatum, др.), образовавших эвтрофные травяно-сфагновые и сфагновые палеоценозы (рис. 3, 7-ая и 8-ая стадии).
В субатлантический период, несмотря на климатические изменения, вертикальный прирост болота остается низким - 0,3 мм/год (рис. 4), что обусловлено нестабильным делювиальным стоком при снижении доли грунтового питания. В результате, верхний горизонт торфяной залежи характеризуется высокой амплитудой УБВ (40-45 см), что обеспечивает активное разложение растительных остатков микроорганизмами и снижает прирост торфа. В таких условиях разрастаются травы, древесные породы, эвтрофные сфагновые мхи (рис. 3, 9-ая и 10-ая стадии) и формируется березово-сфагновое сообщество.
Пример болота Источек отражает своеобразие генезиса в условиях отсутствия интенсивного увлажнения грунтовыми водами карстово-суффозионных депрессий на водоразделе [12]. Доминирование делювиального стока, характеризующегося сезонностью, определяет невысокую скорость вертикального прироста торфяных отложений. При этом, высокая минерализация стекающих вод (по современным наблюдениям от 130 до 210 мг/л) обеспечивает сохранение эвтрофного характера растительности в течение всего периода существования болота.
Болото Клюква является одной из наиболее древних экосистем не только Тульской области, но и Среднерусской возвышенности, поскольку образовалось в бореальный период голоцена - 9332±117лет назад [13]. Особенности генезиса этого болота обсуждались в разных публикациях [13, 14, 15, др.], однако отсутствие точного определения остатков сфагновых мхов в торфах (особенно - в придонных образцах) не позволяло четко идентифицировать принадлежность палеосообществ к типу водно-минерального питания. В просмотренных нами образцах определена видовая принадлежность сфагновых мхов, что позволило детально проследить динамику палеорастительности в процессе развития болота.
Рис. 3. Стратиграфическая диаграмма и стадии развития болота Источек (эвтрофный этап: 1 - древесно-травяная, 2 - гипновая, 3 - травяная, 4 - древесная, 5 - травяно-гипновая, 6 - древесно-травяная, 7 - травяно-сфагновая, 8 - сфагновая, 9 - травяно-сфагновая, 10 - древесно-сфагновая стадии)
2,5
О ^ М Г^ о 45 Ol - гЛ Ф ^ г^ м м Щ 1Г, ^ - гл (i'-, (fl О - - M ^ (N я1! ^ тг rt -t T Tt "t f', Л v1-, (I*. Л if1, О Щ
Возраст, лет
Рис. 4. Динамика вертикального прироста торфа на болоте Источек
На первой стадии на дне понижения в результате стекания делювиальных вод и грунтовой подпитки водами четвертичной системы [16] сформировалось палеосообщество гигрофильных трав (Phragmites australis, Menyanthes trifoliata, Calla palustris, Calamagrostis canescens, Comarum palustre, Scirpus sylvaticus, Carex lasiocarpa, C. rostrata, др.), способных произрастать в широком диапазоне экологических условий (от эвтрофных до мезотрофных), а также мхов. Среди последних, доминирующей группой являлись сфагновые мхи, диагностирующие обедненное минеральное питание. Наиболее многочисленными в торфе на глубине 240-250 см являлись остатки Sphagnum fallax (20%) (рис. 5, 1-ая стадия), являющегося мезотрофным видом. Как видно, на первой стадии произрастали виды разной экологии, однако слабоминерализованное питание травяно-сфагнового палеоценоза характеризует Sphagnum fallax, что позволяет рассматривать условия как мезотрофные. При этом, подстилающие пески обеспечивали возможность дренажа и периодическое подсыхание поверхности болота. Это способствовало активному разложению отмерших растительных остатков и обеспечило высокую степень разложения торфа (50%). Скорость вертикального прироста торфа на этой стадии составляла 0,9 мм/год (рис. 6).
Рис. 5. Стратиграфическая диаграмма и стадии развития болота Клюква (мезотрофный этап: 1-3 - травяно-сфагновая, 4 - сфагновая и древесно-сфагновая, 5 - травяно-сфагновая и сфагновая стадии;
олиготрофный этап: 6 - сфагновая стадия)
В дальнейшем произошло разрастание Menyanthes trifoliata, увеличилось обилие Sphagnum teres и S. subsecundum (рис. 5, 2-ая стадия). Однако, наличие остатков Sphagnum fallax, S. flexuosum, S. cuspidatum и появление Eriophorum sp. позволяет утверждать, что продолжалось обеднение водно-минерального питания и потому это травяно-сфагновое палеосообщество также следует считать мезотрофным. Скорость торфообразовательного процесса снизилась до 0,2 мм/год.
В середине атлантического периода увеличение влажности климата [13] способствовало снижению степени разложения торфа (20-25%) и увеличению интенсивности его вертикального прироста до 1,9 мм/год (рис. 6). Это сопровождалось увеличением доли осок, Sphagnum magellanicum и S. fallax, появлением S. angustifolium, снижением обилия Menyanthes trifoliata и Scirpus sylvaticus (рис. 5, 3-я стадия).
В суббореальном периоде в растительном покрове болота сфагновые мхи (Sphagnum fallax, S. angustifolium, S. flexuosum, S. cuspidatum, др.) становятся доминирующими (рис. 5, 4-ая стадия). Комплекс природных условий этого периода [14] способствовал, по-видимому, понижению уровня грунтовых вод в регионе, что привело к уменьшению интенсивности торфообразовательного процесса до 0,2 мм/год (рис. 6). Благодаря этому, в такой мезотрофный сфагновый палеоценоз постепенно вселяются древесные породы (Pinus sylvestris, Betula sp., Salix sp.). Таким образом, на данной стадии развития болота растительность была представлена сфагновым и древесно-сфагновым палеосообществами.
В конце суббореального - начале субатлантического периода происходит увеличение доли атмосферных осадков в питании болота, что сопровождается возрастанием обилия Eriophorum sp., Sphagnum magellanicum и S. fallax (рис. 5, 5-ая стадия). Формируются мезотрофные травяно-сфагновый и сфагновый палеоценозы. При этом, в составе торфов присутствуют остатки Sphagnum teres, Menyanthes trifoliata, Comarum palustre, Calla palustris, Scirpus sylvaticus. Скорость вертикального прироста болота существенно не меняется (рис. 6).
Состояние растительного покрова во второй половине субатлантического периода (915 - 1058 кален. лет назад) отражает состав торфа на глубине 0-40 см. В составе палеосообществ произрастали виды бедных водно-минеральных условий (Sphagnum angustifolium, S. magellanicum, S. fallax, Eriophorum sp.), что позволяет рассматривать такие сфагновые палеоценозы как олиготрофные. Их видовой состав наиболее беден. Переход к новому этапу развития сопровождается небольшим увеличением скорости торфообразовательного процесса - 0,3 мм/год.
Как видно, в понижениях зандровых равнин при бедном водно-минеральном питании грунтовыми и делювиальными водами развитие болота начинается с мезотрофной палеорастительности, а переход на
атмосферное питание диагностирует начало олиготрофного этапа. Современная олиготрофная растительность болота формируется при низкой минерализации питающих болотных вод - 20-40 мг/л. При этом, дренирующая способность песчаных отложений обеспечивает низкую скорость вертикального прироста торфа.
2,5
о _и
Е Я
1.5
■е-
а
ь I
и О
а я
£0,5
N (Л Ш . _ _ н ^ а) т О! ш
Н Н N N ГЛ
т 1Л с ю м т щ
^ т ^ ^
01 Ч* О Р-^ 1Л щ щ
Возраст, лет
оо оо т т
Рис. 6. Динамика вертикального прироста торфа на болоте Клюква
Проведенные исследования показали, что развитие болот обусловлено гидролого-гидрохимическими особенностями.
Минерализованное питание пойменного Большеберезовского болота преимущественно аллювиальными водами, наряду с сезонно-изменчивым гидрологическим режимом, обеспечивают весьма стабильное развитие - в генезисе болота представлено только одно эвтрофное палеосообщество. На водоразделах, расположенных вне зандровых отложений (болото Источек), в питании болот также доминируют минерализованные грунтовые или делювиальные воды. Однако динамика увлажнения, определяемая соотношением разных источников питания, влияет на формирование разных эвтрофных палеосообществ в генезисе болота.
Поступление слабоминерализованных грунтовых, а также бедных делювиальных вод в депрессии, подстилаемые песчаными зандровыми отложениями (болото Клюква), является причиной формирования на ранних стадиях заболачивания мезотрофных палеосообществ. В генезисе болота мезотрофный этап являлся наиболее продолжительным и при переходе на атмосферное питание около 1000 лет назад сменился олиготрофным. Это означает, что редкая для региона олиготрофная
растительность формируется на болотах при слабоминерализованном питании.
Важно отметить, что отсутствие застойного увлажнения на разных стадиях/этапах генезиса модельных болот обеспечило невысокую скорость их вертикального прироста. Увеличение показателя торфообразовательного процесса связано с климатическими изменениями в конкретный период голоцена.
Таким образом, генезис болот, имеющих разное геоморфологическое положение и гидролого-гидрохимический режим, существенно различается по количеству и продолжительности этапов и стадий, интенсивности прироста и структуре торфяных отложений.
Список литературы
1. Волкова Е.М., Бурова О. В., Вислогузова Д. В. Принципы районирования болот Тульской области // Естественные и технические науки. 2003. № 4. С. 34-38.
2. Недра Тульской области / Дымов В. С. [и др.]. Тула, 2000. 124 с.
3. Атлас растительных остатков, встречаемых в торфе / под ред. С.Н. Тюремнова. М.: Калининский торфяной институт. Л.: Госэгергоиздат, 1959. 230 с.
4. Кутенков С.А. Компьютерная программа для построения стратиграфических диаграмм состава торфа «Korpi» // Труды КарНЦ РАН. No 6. Сер. Экологические исследования. 2013. C. 171-176.
5. IntCal13 and Marine13 radiocarbon age calibration curves 0-50.000 years cal BP / P.J. Reimer, E. Bard, A. Bayliss [et. al.] // Radiocarbon. 2013. Vol. 55. P. 1869-1887.
6. Волкова Е.М. Пойменные болота северо-востока Среднерусской возвышенности // Бот. Журнал. 2011. Т. 96. № 4. С. 503-514.
7. Реконструкция динамики ландшафтов и климата северной лесостепи в позднем голоцене, по данным комплексных исследований Большеберезовского болота (бассейн Верхнего Дона, Тульская область) / Е.Ю. Новенко, Е.М. Волкова, И.С. Зюганова [и др.] // Сб. матер. всеросс. науч. конф. «Проблемы изучения и восстановления ландшафтов лесостепной зоны» (14-18 июня 2011 г.) (под редакцией Буровой О.В., Волковой Е.М., Швец О.В.). Вып. 2. Тула. 2011. С. 14-23.
8. Динамика ландшафтов и климата бассейна Верхнего Дона в среднем и позднем голоцене / Е.Ю. Новенко, М.П. Гласко, Е.М. Волкова [и др.] // Известия РАН. Серия географическая. 2013. № 2. С. 68-82.
9. Динамика растительности на южной границе зоны широколиственных лесов Восточно-Европейской равнины в среднем и позднем голоцене / Е.Ю. Новенко, И.С. Зюганова, К.В. Дюжова [и др.] // Известия РАН. Серия географическая. 2017. № 5. С. 82-94.
10. Климанов В.А. Серебряная Т.А. Изменения растительности и климата на Среднерусской возвышенности в голоцене // Изв. АН СССР. Серия географическая. 1986. № 2. С. 93-101.
11. Хотинский Н.А. Голоцен Северной Евразии. М.: Наука, 1977.
200 с.
12. Zyuganova I., Volkova E. Palaeoecological evidence for the middle and late Holocene lake-swamp vegetation in the Oka River basin (European Russia) // Book of Abstracts of International Geographical Union Regional Conference Geography, Culture And Society For Our Future Earth.17-21 August 2015, Moscow, Russia. P. 138.
13. Динамика ландшафтов и климата на северо-западе Среднерусской возвышенности в голоцене / Е.Ю. Новенко, А.Н. Цыганов, Е.М. Волкова [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 5: география, 2014. №6. С. 24-31.
14. The Holocene palaeoenvironmental history of Central European Russia reconstructed from pollen, plant macrofossil and testate amoeba analyses of the Klukva peatland, Tula region / E. Novenko, A. Tsyganov, E. Volkova [et.al] // Quaternary Research, 2015. V. 83. P. 459-468.
15. Изменения растительности и климата на северо-западе Среднерусской возвышенности в голоцене / Е.Ю. Новенко, А.Н. Цыганов, Е.М. Волкова [и др.] // Известия РАН. Серия географическая. 2016. № 1. С. 103-114.
16. Хмелев К. Ф. Торфяные болота Центрального Черноземья: автореф. дис... доктора биол. наук. Воронеж, 1975. 38 с.
Волкова Елена Михайловна, д-р биол. наук, доц., convallariaaimaiLru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Калинина Мария Михайловна, магистрант, marykalininaaa'inbox. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Дорогова Алина Витальевна, магистрант, alya dorogovaaimaiLru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE FEATURES OF GENESIS OF THE WATERSHED AND FLOODPLAIN MIRES ON TERRITORY OF TULA REGION
E. M. Volkova, M. M. Kalinina, A. V. Dorogova,
The article shows the stages of development of floodplain and watershed mires, which are formed in different geologic and hydrologic conditions of Tula region. The underlying rocks, salinity (mineralization) of water supply and moisture regime determined the character of paleovegetation, the duration of its existence and possibility of changing and the intensity ofpeat formation process for different types of mires.
Key words: mire ecosystems, peat deposits, genesis, Tula region.
Volkova Elena Mikhailovna, doctor of biological sciences, docent, convallariaaimail.ru, Russia, Tula State University.
Kalinina Maria Mikhailovna, undergraduate student, marykalininaaa'inbox. ru, Russia, Tula State University.
Dorogova Alina Vital'evna, undergraduate student, alya dorogovaaimail.ru, Russia, Tula State University.
