CC BY
80
А.Г. Дюкарев, Н.Н. Пологова ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ТОМСКОГО ВОДОЗАБОРА
Приведены результаты исследований водного режима почв на территории Обь-Томского междуречья. Показана тесная связь верхних горизонтов почв с условиями увлажнения года. Выявлены признаки гидрологической деградации ландшафта: снижение уровня грунтовых вод, обсыхание мелкозалежных торфяников, формирование горизонтов иссушения в центральной части почвенного профиля, связанные с действием Томского водозабора.
Ключевые слова: мониторинг; водный режим; водозабор; иссушение; трансформация ландшафта.
Контроль состояния природных систем, включающих как экологическую, так и гидрологическую составляющую ландшафта, осуществляется в процессе мониторинга - системы непрерывных или цикличных наблюдений и описаний на определенный момент времени. Гидрологический мониторинг с целью выявления особенностей функционирования природных систем в различных погодных условиях и антропогенных воздействиях включает основные элементы водного баланса: поступление осадков, их перехват и испарение пологом леса, динамику запасов почвенных и грунтовых вод, испарение почв и растительного покрова, инфильтрацию, поверхностный и грунтовый сток. С гидрологических позиций почвы являются той системой, в теле которой происходят поглощение, удержание и испарение влаги, что фиксируется в наблюдениях за динамикой почвенной влажности. Важно при этом оценивать почву и как звено биогеоценоза, которое совместно с растительным покровом обусловливает тип местного оборота влаги, ее поступление в грунтовые воды и далее - в водные системы [1, 2]. Организация мониторинга сопряжена с определенными трудностями научно-методического характера. Наибольшую сложность представляет разделение влияния естественного тренда климатической изменчивости и антропогенных воздействий. Поэтому мониторинговые исследования по продолжительности должны быть сопоставимы с климатическими циклами, охватывать различные по погодным условиям годы. Проводимые исследования связаны с переоценкой запаса подземных вод, прогнозом изменения природной среды в результате его эксплуатации и имеют целью экологическую оптимизацию режима эксплуатации месторождения.
Объект и методы исследования
Обь-Томское междуречье имеет для г. Томска важное экологическое и хозяйственное значение. До недавних пор здесь активно использовалось более 48 тыс. га сельскохозяйственных угодий, среди которых преобладала пашня. Территория с относительно высокой плотностью населения интенсивно подвергается рекреационным и хозяйственным нагрузкам. Введение в эксплуатацию крупнейшего в России водозабора с необходимостью санитарной защиты подземных вод потребовало ограничений на некоторые виды хозяйственной деятельности. Основным источником водоснабжения г. Томска являются подземные воды палеогенового комплекса с глубиной залегания кровли водоносного комплекса в районе Обь-Томского водораздела 60-105 м. Питание палеогенового водоносного комплекса повсеместно инфильтрационное. Томский водо-
забор имеет линейное расположение скважин и пересекает различные природные комплексы в сложной ландшафтной структуре междуречья. Откачка подземных вод в объемах до 200-220 тыс. м3/сут за время эксплуатации привела к сработке водоносных горизонтов и формированию воронки депрессии, занимающей большую часть Обь-Томского междуречья, что сказалось и на состоянии окружающей среды. Гидрологический режим почв более тесно связан с водоносным комплексом четвертичных отложений, воды которого находятся в сопряжении с эксплуатируемыми водами палеогенового горизонта и в зависимости от особенностей рельефа и генезиса отложений подразделяются на: воды террасовых отложений, воды аллювиальных средне-верхнечетвертичных отложений древних ложбин стока, верховодку и болотные воды [3].
Территория междуречья характеризуется сложной ландшафтной структурой. Природно-территориальные комплексы в ранге ландшафтов представлены денудационно-аккумулятивной равниной, местами перекрывающими ее древними ложбинами стока и современным долинным комплексом с террасами разного уровня [4, 5]. Ландшафты древней равнины формируются на богатых, часто карбонатных суглинистых почвообразующих породах в условиях хорошей дренированно-сти логами и долинами рек. В почвенном покрове господствуют серые лесные и серые глеевые почвы с развитым гумусовым горизонтом. В растительном покрове преобладают березовые, осиново-березовые травяные и высокотравные леса. Отложения ложбин древнего стока преимущественно песчаного и супесчаного гранулометрического состава. Поверхность ложбин плосковолнистая в сочетании с гривно-ложбинными участками. Почвенный покров представлен подзолами иллювиально-железистыми на сортированных песках и дер-ново-подзолами на иловатых и слоистых супесях. Лесная растительность менее разнообразна, т.к. в недавнее время коренные леса на территории интенсивно вырубались и сохранились небольшими фрагментами на песчаных гривах. На остальной территории господствуют вторичные леса с различным соотношением березы и осины. Болота в межгривных понижениях преимущественно олиготрофные, реже мезотрофные. Грунтовые воды залегают неглубоко и выклиниваются в долинах рек. Террасовый комплекс Обь-Томского междуречья включает первые и вторые террасы. Первые террасы сложены тяжелосуглинисто-глинистыми отложениями, как правило, сильно заболочены, с господством евтрофных болот и дерново-глеевых почв. Коренная растительность представлена смешанными темнохвойно-лиственными заболоченными лесами в сочетании с сограми. Высокая гидроморфность ланд-
шафта здесь обеспечивается выклинивающимися в подножье второй террасы грунтовыми водами. При сработке в результате действия водозабора грунтовых вод водный режим почв на первых террасах Томи и Оби существенно изменился, начались обсыхание и деградация торфяных залежей. Вторые террасы приподняты, хорошо дренированны, супесчаные с дерно-во-подзолами под травяными сосняками в зоне сопряжения с ложбинами стока. При сопряжении с древней равниной террасы плоские низкие, суглинистые с серыми и светло-серыми почвами под травяными лиственными лесами, в составе которых принимает участие сосна и кедр. Высокая заболоченность террас, речных долин и ложбин стока повышает разнообразие территории. Общая площадь болот и заболоченных лесов, к примеру в Тимирязевском лесхозе, составляет около 45 тыс. га [6]. Из них более 80% составляют евтрофные болота, приуроченные к долинам Оби и Томи.
Система мониторинга на территории Обь-Томского междуречья охватывает основные гидрологические типы ландшафта, включает пространственно распределенные площадные полигоны, ландшафтноэкологические профили и точки наблюдения. При организации мониторинга (выбор ключевых участков и точек мониторинга) использован геосистемный подход, анализировался разнообразный картографический материал и космоснимки высокого пространственного разрешения. Совмещение полигонов с квартальной лесоустроительной сетью позволяет включить в систему мониторинга материалы лесоустройства различных лет проведения. Полигоны площадью 1-2 км2 закладывались в границах квартальной сети на участках, прилегающих к зоне водозабора. На каждом полигоне заложен экологический профиль, пересекающий основные элементы ландшафта и с различной степенью трансформированности, на которых и располагались точки наблюдения. Большое внимание уделялось экотонам - переходным зонам на границе леса и болот, обладающих более высокой чувствительностью к изменениям гидрологического режима. Обследованиями в них повсеместно выявлены перестройки фитоценоти-ческих и почвенных границ. При однородных условиях, с целью охвата большего числа геолого-геомор-фологических поверхностей, в систему мониторинга включались только точечные объекты наблюдения.
Таким образом, в пределах воронки депрессии заложены 4 площадных и 2 точечных объекта мониторинга (рис. 1). Один полигон расположен за пределами воронки депрессии. Каждому участку присваивался постоянный порядковый номер. Участок (пункт) мониторинга закрепляется на местности, а его координаты вносятся в базу данных. Принята нумерация объектов контроля, позволяющая сохранять преемственность полученной информации. Номер точки мониторинга включает буквенный индекс и номер ключевого участка, номер точки наблюдения. Для графического отображения данных режимных наблюдений при их интерпретации дается ссылка на год наблюдения. В итоге, например, номер М2307 обозначает, что приводимые данные соответствуют показателям, полученным на ключевом участке 2 в точке наблюдения 3 в 2007 г. Объем статьи не позволяет представить динамику вод-
ного режима во всем объёме, на рис. 1-3 приведены только представители каждого из типов местообитаний, но в тексте дается анализ по всем точкам наблюдения.
Ключевой участок М1 (86-й квартал) расположен за пределами границ воронки депрессии, в 23 км от линии водозабора (77-76-й кварталы Жуковского лесничества), включает Кирсановское болото верхового типа. В пределах участка имеются как слабо нарушенные, так и ненарушенные элементы. Характерные для ложбин стока перепады рельефа создают высокие (около 4 м) дюнообразные гривы, переходящие в заторфованные меж-гривные понижения. Мощность торфа в центре болота более 3 м. По мере заполнения первичного понижения произошла дифференциация массива на рямовую и топяную части. Измерение влажности проводилось: в подзоле иллювиально-железистом (М11) под сосняком кус-тарничково-зеленомошным на верхней части гривы; в подзоле глееватом иллювиально-железистом (М12) под сосняком зеленомошным на низкой ступени гривы; на торфяно-подзоле глеевом (М13) под сосняком кустар-ничково-зеленомошно-сфагновым в переходной части к болоту, уровень болотных вод замерялся в рямовом и топяном участках (М14).
Ключевой участок М2 (Тимирязево) заложен в 3,5 км от первой очереди водозабора (33-34-й квартал Тимирязевского лесничества) в наиболее трансформированной части междуречья. Ландшафтно-экологический профиль, в пределах которого заложены точки наблюдения, - наиболее сложный по строению, т.к. пересекает несколько высотных уровней. Максимальные перепады высот между вершиной гривы и днищем болот достигают 14 м. Снижения уровней грунтовых и неравномерная сработка болотных вод привели к дифференциации участка по степени гидрологической трансформации. На профиле заложены 7 точек наблюдения, представляющих несколько типов гидрологического режима. В первую группу входят торфяные почвы болот с относительно ненарушенным наземным покровом и уровнем болотных вод, находящимся в пределах деятельного горизонта (М25, М27). Вторую группу представляют иссушенные торфяные почвы с нарушенным гидрологическим режимом (М21, М22, М24). Третью группу представляют точки мониторинга, заложенные в сосновых фитоценозах на песчаных гривах разного уровня (М21, М23, М26).
Ключевой участок М5 (Моряковка) располагается вблизи третьей очереди водозабора (88-й квартал Моря-ковского лесничества) и включает сосняки на песчаных гривах, рослые рямы в заболоченных понижениях, различные по составу лиственные леса. Для ландшафтноэкологического профиля характерен общий уклон на северо-восток. Профилем пересекаются поверхности, различающиеся по составу отложений: песчаные гривы (М51) замещаются более плоскими поверхностями, сложенными слоистыми супесчано-суглинистыми отложениями (М54). Максимальный перепад высот достигает 6 м. Заболачивание началось в наиболее глубоких центрах ложбин. К настоящему времени произошло объединение первичных центров заболачивания, внутри которых сохранились узкие низкие гривы (М53). Болото сосново-кустарничниково-сфагновое с высокими значениями бонитета (1У) и полноты (до 0,6) мощностью торфа до 3 м (М52).
Рис. 1. Схема расположения объектов мониторинга на Обь-Томском междуречье: 1 - линия водозабора. Границы воронки депрессии водоносного горизонта: 2 - неоген-четвертичного; 3 - палеогенового.
Степень трансформированное™ ландшафтов: 4 - сильная; 5 - средняя; 6 - слабая. Объекты мониторинга: 7 - полигоны и ключевые участки; 8 - точечные объекты; 9 - точки рекогносцировочных обследований
Ключевой участок М7 (Нелюбино) заложен на поверхности древней равнины, сложенной суглинистыми отложениями на расстоянии 10-12 км от осевой линии водозабора (в пределах воронки депрессии). Особенностью данного полигона является его приуроченность к ареалу давно распахиваемых высокобонитетных почв. В центре полигона находится сильно деградированный рослый рям, занимающий плоскую ложбину и окаймленный лиственным лесом. Точки мониторинга заложены в центре ряма (М74), в переходной части от ряма к высокотравному осиновоберезовому лесу (М73), в автоморфной позиции на склоне в березняке разнотравном (М72) и на пашне за пределами влияния колка (М71).
Точка мониторинга М3 (Дзержинское) расположена на второй террасе Томи, сложенной с поверхности супесчано-песчаными отложениями под пологом сосняка мелкотравно-зеленомошного.
Точка мониторинга М4 (Коломино) заложена вблизи первой очереди водозабора на суглинистой террасе с серыми почвами под кедровником травяно-зеленомошным.
Наблюдения за водно-температурным режимом на первом этапе (2001-2004 гг.) проводились помесячно с
мая по сентябрь включительно в 16 точках наблюдения. Влажность определялась термостатно-весовым методом, а образцы отбирались через 25 см в трехкратной повторности, из трех скважин до глубины 3 м или до глубины залегания грунтовых вод. В августе, в фазу максимальной спелости почв и сработки грунтовых вод, глубина бурения увеличивалась до 5 м. Это позволило вскрыть глубину залегания грунтовых вод и состояние зоны аэрации. В последующие годы исследования проводились только в фазу максимальной спелости почв и контролировались состояние растительного покрова. При рекогносцировочных исследованиях на всей территории воронки депрессии и за ее пределами современное состояние ландшафта сравнивалось с его «характерным», естественным состоянием. Оценка проводилась по состоянию лесного полога, возобновления основных лесо-образователей, напочвенного покрова, почв, микрорельефа. Обращалось внимание прежде всего на переходные ландшафты и ландшафты с неустойчивым увлажнением. При выявленных изменениях вскрывались причины и факторы изменений, прямая или опосредованная связь с действующим водозабором.
Погодные условия
В ландшафтно-гидрологическом мониторинге важно установить изменения состояния экотопов, вызванные флуктуацией погодных условий. Эксплуатация водозабора происходит на фоне естественной изменчивости климатических ритмов, которые формируют разнообразие гидрологических состояний почв и обусловливают отклик биотических компонентов на изменение режимов тепла и влаги. Для установления изменчивости погодных условий анализировались известные в современной литературе общие тенденции изменения климата, а для региональных условий - среднемесячные данные по температуре, осадкам по метеостанции Томск за последнее столетие. Временные ряды изменения суммы осадков и средней температуры рассчитаны за следующие периоды: климатический год - с октября предшествующего года по сентябрь следующего года, летний период (с мая по сентябрь), зимний - с октября по апрель.
Глобальный характер потепления не вызывает сомнений, однако изменения климата в последние десятилетия пока не выходят за пределы его естественных флуктуаций на протяжении последнего тысячелетия [7]. По данным временных рядов температур для Томска устанавливается четкая тенденция среднегодового потепления, причем можно отметить, что больший вклад вносит увеличение температур зимнего периода, по сравнению с летними температурами (рис. 2, А). Колебания же увлажнения на региональном уровне, в частности по данным изменений суммы осадков по метеостанции «Томск», проявляются с цикличностью в 11-13 лет и характеризуются увеличением амплитуды изменчивости осадков в последние годы. Скользящие средние величины с шагом в 5 лет показывают тенденцию увеличения количества как летних, так и зимних осадков (см. рис. 2, В). Отмечаются существенное возрастание за последние 100 лет межсезонных климатических контрастов и рост повторяемости экстремальных гидротермических условий. Согласно данным метеостанции «Томск» экстремальными условиями характеризовались 2002 и 2007 гг., когда летние осадки превысили норму соответственно в 1,5 и 2,3 раза, сухой, с высоким количеством пожаров 2003 г.
Годы, в которые проводились наблюдения, различаются погодными условиями (рис. 2, С). Первому этапу (рекогносцировочным оценкам 2000 г.) предшествовал год с недостаточным увлажнением. Начало наблюдений за динамикой влажности приходится на теплый и средний по увлажнению 2001 г., когда суммы температур и количество осадков в вегетационный период превысили средние многолетние значения. Осадки и зимнего и летнего периода 2002 г. значительно превышали средние многолетние значения. Летний сезон характеризуется ливневыми осадками в июне и низкими количествами в августе. В целом высокое увлажнение проявилось на фоне достаточно высоких температур воздуха. Поэтому год по погодным условиям ха-растеризуется как экстремально влажный и теплый. Среди последних 7 лет по погодным условиям наибольшей сухостью отличался 2003 г., когда в летний период осадков выпало меньше нормы, а температуры были выше средних значений, поэтому год характеризуется как сухой
и теплый. Сезону наблюдения 2007 г. предшествовал погодный цикл с ежегодным увеличением сумм годовых осадков и снижением температур после засушливого 2003 г. Сезон 2007 г. - экстремально влажный и в целом прохладный с короткой фазой высоких июльских температур. Особенностями года являются также экстремально теплая многоснежная зима, растянутый весенний сезон и отсутствие периода раннелетней засухи.
Результаты исследования
Проведенные исследования показали, что особенности водного режима почв формируются в соответствии с положением точки наблюдения в ландшафтной структуре, связаны с составом отложений, характером рельефа и растительности. Отложения древней равнины отличаются тяжелым гранулометрическим составом, низкой водопроницаемостью и высокими значениями водоудерживающей способности. Величина наименьшей влаго-емкости в иллювиальных горизонтах серых почв превышает 35% или близко к этому значению. Водоносный комплекс четвертичных отложений представлен верховодкой, с глубиной залегания в зависимости от расчлененности рельефа от 3-5 м на площади развития слабо-дренированных покровных суглинков и до 10-15 м на повышенных хорошо дренированных участках. Гранулометрический состав грунтов в ложбинах стока определяет фильтрацию атмосферной влаги и условия насыщения почвенно-грунтовых вод, с которыми связано современное распределение растительности. Пески обладают хорошей фильтрацией и низкой водоудерживающей способностью. Наименьшая влагоемкость (НВ) в верхних горизонтах песчаных почв составляет от 6 до 9%. В глубоких горизонтах, с повышением сортирован-ности песков, значения НВ снижаются до 4,5-6%. Поверхности ложбин стока характеризуются значительными перепадами высот на протяжении нескольких сотен метров. Нередко в рельефе проявляются «ступени», связанные с неравномерным эрозионным врезом первичных элементов рельефа: ложбин стока и котловин выдувания. Так, перепад высот между центром заторфованной ложбины ландшафтно-экологического профиля М2 (первая ступень) и второй ступенью составляет 8 м, между второй и третьей - 6 м. Статические уровни грунтовых вод аллювиальных средне-верхнечетвертичных отложений древних ложбин стока устанавливаются на глубине 12-18 м [3]. Глубокие ложбины явились центрами заболачивания, и к настоящему времени в них сформировалась торфяная залежь мощностью до 5 м, которая заметно нивелировала поверхность. По мере заполнения торфом первичных понижений, под влиянием формирующихся на периферии растущего болотного массива горизонта грунтово-болотных вод, происходило заболачивание лесов и торфонакопление на более высоких поверхностях. В процессе формирования болот шло образование окраинных топей, на контакте которых с вмещающим песчаным грунтом происходила инфильтрация болотных вод в более глубокие горизонты. За время наблюдений амплитуда колебания уровней болотных вод в ненарушенных местообитаниях составила 15-20 см. Уровень воды опускался ниже живого сфагнового мха лишь в сухой год в августе.
Рис. 2. Многолетний ход температуры (А), осадков (В), средние температуры и ГТК за вегетационный период в годы наблюдений (С). Данные метеостанции Томск. Тонкие линии на рисунках А и В - погодичные величины, полужирные - осредненные с шагом в 5 лет;
прямые линии - направление тренда показателей
Водный режим приболотных местоположений. Влияние болотного массива сказывается на гидрологическом режиме почв приболотных местообитаний. В песчаных почвах приболотного пояса (площадки М12, М53) изменение уровней почвенно-грунтовых вод происходит быстро и амплитуда колебания довольно широкая (рис. 3, М12). Во влажный 2002 г. в связи с интенсивной весенней влагозарядкой почв после многоснежной зимы и обильных осадков уровень верховодки залегал на 50-75 см ближе к поверхности по сравнению с более сухими годами. Подъём уровня грунтовых вод начинается не только тогда, когда осадки действительно просочились через всю толщу грунта до уровня грунтовых вод, но и тогда, когда они достигают зоны капиллярной каймы, повышая увлажнение до полной влагоемкости [8]. При этом ускоряется передвижение гравитационной воды книзу, следовательно, и подъем грунтовых вод. Такой механизм передвижения влаги возможен в тех случаях, когда влажность почвы выше ее максимальной капиллярной влагоемкости (2002 г.). В последующий сухой 2003 г. в почвах переходных местообитаний весной уровень воды был близок к уровню осенней влагозарядки предшествующего года. Однако к концу лета уровень грунтово-болотных вод заметно понизился. В целом во влажный год уровень почвенно-грунтовых вод за каждый срок наблюдения выше на 30-50 см, чем в другие годы. При низкой водоподъемной способности песчаных грунтов капиллярная кайма над горизонтом почвенно-грунтовых (грунтовоболотных) вод составила всего 20-25 см. Поэтому при провальной фильтрации на протяжении всего вегетационного периода в профиле почв до глубины 1 м сохраняется горизонт иссушения. Реакция на выпадающие осадки проявляется только в верхней 50-сантиметровой части профиля. Эпюры и графики подчеркивают, что наиболее существенные изменения во влажности почв в разные годы происходят в основном в нижних горизонтах, что связано с насыщением болотно-грунтовых вод, а также и в поверхностных горизонтах почв после выпадения осадков. Влажность в центральной части профиля на протяжении всего периода наблюдений варьирует незначительно.
К августу влажность почв приболотных местоположений приходит в фазу устойчивого равновесия и различается только в экстремально влажные годы (рис. 3, М53-Э).
Динамика влажности почв автономных местообитаний на песках. В подзолах иллювиально-железистых (М11, М23, М51), занимающих высокие поверхности грив, при провальной фильтрации песков, водный режим складывается в соответствии с приходом осадков на поверхность почвы, расхода их на испарение и десукцию. Наблюдения за водным режимом в почвах автономных местоположений проводилось на достаточно высоких гривах. Превышение точек наблюдения над окраинной частью болота варьирует от 2,5 м (М23, М51) до 4,5 м (М11). Анализ результатов выявил в подзолах иллювиально-железистых сходный режим увлажнения. Типичный профиль по режиму влажности четко дифференцирован: сверху формируется слой насыщения от просачивающейся влаги осадков, в середине формируется горизонт иссушения (десуктивного иссушения и расхода влаги на испарение), ниже проявляется горизонт с повышенными значениями влажности (см. рис. 3, М23). Увеличение влажности в глубоких горизонтах почв связано либо с капиллярным насыщением над уровнем грунтовых вод, либо с зависанием влаги при ее медленном просачивании на локальном водоупоре. В точке М51 на площадке, заложенной в Моряковской ложбине стока (3-я очередь водозабора), находящейся на 3,5 м выше уровня болота, проявились оба механизма. Во влажный год на глубине 275-300 см здесь отмечался горизонт капиллярного грунтового насыщения, а на глубине 175-225 см - горизонт зависания влаги, разделенные слоями с пониженной влажностью (рис. 3, М51-Э). Показательно, что такое соотношение горизонтов сохранилось до июня следующего года, затем граница капиллярного насыщения снизилась до 350 см, над которой сформировался слой с предельно низкими значениями влажности. Такой характер увлажнения связан с присутствием в песчаной толще локальных водоупоров и резким иссушением почвы при «сбросе» с них влаги. Горизонты капиллярного насыщения в почвах других точек наблюдения до глубины 300 см не выявлены
даже во влажные годы. В точке М23 (Тимирязевское лесничество), находящейся только на 2,5 м выше уровня болота, в сухой год горизонт капиллярного насыщения отмечался локально (т.е. ниже его влажность почвы снова уменьшалась), а во влажный год охватывал всю толщу 450-500 см. Горизонт промачивания с влажностью, близкой к наименьшей или чуть выше наименьшей влагоем-кости, в поверхностных горизонтах выявляется только во влажные годы. Горизонт же иссушения присутствовал во всех почвах независимо от года увлажнения, однако охватывал разные по мощности слои - меньшие во влажный сезон и более глубокие - в сухой. В среднем горизонт ис-
М23
2002
сушения проявлялся на глубине от 120 до 250 см. Наиболее иссушены дерново-подзолы (М26) под сосновыми молод-няками. При этом следует отметить устойчивый характер увлажнения почвы в разные годы и несколько пониженную влажность по всему профилю в августе 2002 г. В сухой 2003 г. практически весь сезон влажность почв до глубины 3 м была значительно ниже наименьшей влагоемко-сти. В экстремально влажный, с обильными летними осадками 2007 г. отмечалась высокая неоднородность распределения влаги, связанная с неравномерным выпадением осадков и особенностью их передвижения в почвах со сла-бовыраженной слоистостью состава отложений.
V VI | VII I VIII I IX |
-100
О
IV VI | VII | VIII | IX |
М54
2001
V VI
V VI | VII | VIII | IX]
М54
2002
I
О (
го 'й
-$> О ' С
V 36 С
10 15 20 25 30
Рис. 3. Хроноизоплеты и эпюры влажности почв различных типов местообитаний (влажность в % от объема)
-300
VI VI
VIII I IX
М31
2001
200
VII I VI
IX
VI VI
VII
IX
VII
VI VI
IX
V VI
VII
VIII I IX
VI VI
VI VI
VII
VIII I IX
Водный режим местообитаний с иссушенными торфяными почвами. Ландшафты ложбин древнего стока в зоне, примыкающей к первой очереди водозабора, относятся к категории сильно трансформированных. Наиболее трансформированы заболоченные леса и мелкозалежные болота, формирующиеся в межгривных понижениях. При отсутствии явного водоупора болотные воды формируются на капиллярной кайме верховодки, аккумулируются и удерживаются торфяным телом. Стабильность водного режима болот, как и ландшафта в целом, определяется мощностью и состоянием торфяной залежи. Небольшие по площади торфяники мощностью до 2 м не способны противостоять протекающим на территории негативным гидрологическим и гидрогеологическим процессам. При сработке верхних горизонтов грунтовых вод в зоне формировании воронки депрессии происходит деградация деятельного горизонта болотных вод, преобразование структуры растительных сообществ. В сосняках кустарничниково-сфагновых появляются пятна зеленых мхов и даже лишайников, мочажины начинают затягиваться кустарничками, грядовые клумбы разрушатся. В краевой, обычно наиболее увлажненной части болотного массива, в результате изменения гидрологических условий и ускоренной минерализации торфа формируются участки с полностью нарушенным растительным покровом. Влажность торфа снижается до 35-40%, тогда как в естественных условиях она составляет 85-95%, плотность сложения возрастает в 23 раза. Поверхностные слои торфа пересыхают, распыляются и теряют способность впитывать влагу. Мощность торфяной залежи при усадке уменьшилась почти вдвое (М21, М22). Почвенно-грунтовые воды в минеральных горизонтах под торфяной залежью обнаруживаются только во влажный год (см. рис. 3, М22). В при-склоновых местоположениях на глубине от 215 до 260 см (М21), 280-320 см (М-22), и 220-300 см (М24) формируются горизонты полного насыщения влагой. К концу влажного сезона, когда в августе-сентябре количество осадков снизилось, на этих глубинах сохранился горизонт с влажностью близкой к полному насыщению, но гравитационная влага не проявилась. Ниже этого слоя влажность почвы уменьшалась, что указывает на существование локальных водоупоров. В последующий сухой 2003 г. до глубины 300 см гравитационная влага обнаружена только в присклоновых местоположениях - точке наблюдения М21. Профильное распределение влажности при бурении до 500 см показывает, что горизонт полного насыщения разделен на два слоя: первый формируется на глубине 250-300 см, а второй - на глубине 400 см. Во влажные годы эти горизонты смыкаются. В сухой 2003 г. горизонт гравитационной воды обнаружен только в почве точке М21, находящейся в подсклоновом местоположении на максимальном удалении от основного болотного массива. Это позволяет предположить участие почвенногрунтового стока в формировании увлажнения глубоких горизонтов почвы. Причем при следовании серии сухих лет такого притока влаги нет, о чем свидетельствует графики и эпюры влажности за 2001 г.
Влажность торфяного слоя устойчиво высокая на границе с минеральным горизонтом, а в поверхностных
очень низкая и связана с атмосферными осадками (рис. 3, М21-Э). В минеральных горизонтах под иссушенными торфяниками в разные по увлажнению годы прослеживается близкий ход кривых распределения влажности. Как правило, под торфяной залежью формируется горизонт капиллярного зависания, мощностью 50-80 см, а его мощность определяется накопленной в торфяном теле гравитационной влагой. Ниже влажность уменьшается до значений меньше НВ. Эпюры влажности показывают, что горизонт с неестественно низкими значениями влажности на глубине 150200 см стабильно сохраняется независимо от условий увлажнения года. Амплитуда изменчивости несколько больше на глубине, что связано с особенностями просачивания влаги в песчаных грунтах и формированием горизонта капиллярной каймы. Во влажные годы влажность минеральных горизонтов выше по сравнению с сухими годами, причем наиболее значимы различия в глубоких капиллярно насыщенных горизонтах.
Динамика влажности почв террас. Дерново-подзолы супесчаные с мощными ортзандовыми прослойками (М31) под сосняками травяными по водному режиму отличаются от режима почв ложбин стока, сложенных сортированными песками. Вертикальному водообмену с нижними слоями здесь препятствуют внутрипочвенные ортзандовые прослойки, над которыми происходят широкое варьирование влажности почв, от 8 до 30 % в поверхностных горизонтах и 818% на глубине 50-100 см (см. рис. 3, М31). Ниже ор-тзандовых слоев влажность снижается до значений НВ типичных для супесчаных почв. Сезонные и межсезонные изменения влажности здесь наибольшие. При сохранении общих закономерностей послойного поведения влаги, разброс влажности в разные по увлажнению годы достигает 10 % - наибольшее для всех исследуемых местообитаний (рис. 3, М31-Э). Варьирование увлажнения поверхностных горизонтов и относительно высокое богатство супесчаных почв обеспечивают здесь формирование растительных сообществ, отличающихся широким разнообразием, включающим виды, относящиеся к разным экологическим группам.
Динамика влажности серых почв на суглинистых террасах под кедровниками травяными только в верхней части связана с атмосферными осадками. За пределами первого метра влажность почв стабильно низкая даже в экстремально влажный год (см. рис. 3, М41). Это свидетельствует об устойчивом разрыве капиллярной связи с грунтовыми водами и практически полным расходом атмосферных осадков в кедровнике на десук-цию и испарение. Значительная часть осадков перехватывается кронами деревьев, что увеличивает площадь испарения. Осадки, достигшие поверхности почв задерживаются в лесной подстилке, перехватываются и используются корнями. Изменчивость влагозапасов в августе хорошо коррелирует с условиями увлажненности года, особенно в первом метре суглинистой толщи. Глубже распределение влажности связано с особенностью просачивания и расхода влаги на десукцию кедровым насаждением. В экстремальный 2007 г. влажность почв была выше по всему профилю (рис. 3, М41-Э). Можно предположить следующий механизм изменения запасов влаги в равномерно фильтрующих суг-
линистых почвах под травяными кедровниками. Во влажный год, даже с учетом расхода влаги на десукцию кедровым фитоценозом, в поверхностных горизонтах поддерживается влажность, близкая к величине наименьшего насыщения, создаются условия для передвижения гравитационной влаги в нижние горизонты. Однако за все годы наблюдения влажность почв на глубине более 150 см была меньше НВ. При этом во влажный год и последующий за ним происходит некоторое увеличение запасов влаги в метровом слое над этим относительно сухим горизонтом. Наличие иссушенного горизонта во все сроки и годы наблюдения свидетельствует об устойчиво сформировавшемся разрыве увлажнения от атмосферных осадков с горизонтом капиллярного увлажнения грунтовых вод, что может быть последствием снижения их уровней. Режим влажности почв под кедровником в настоящее время изменился и более соответствует режиму влажности лесостепных почв, что негативно сказалось на состоянии и продуктивности кедровника. Периодичность урожая и качество ореха снизились, повысилась поражаемость древостоя болезнями и энтомовредителями.
Режим влажности светло-серых почв на плоской поверхности Моряковской ложбины стока (М54) под осинником крупнотравным определяется в значительной степени составом отложений - подстиланием супесей плотными и вязкими глинами с высокой водоудерживающей и низкой фильтрационной способностью. С поверхности в рыхлых органогенных горизонтах под сомкнутым пологом высокотравья выпавшие осадки сохраняются длительное время, и растения не испытывают дефицита влаги даже в сухой год. Влажность здесь редко снижается до значений ниже НВ. На границе разных по составу отложений замедляется скорость фильтрации, создаются условия для застаивания влаги и ее медленного расхода. Влажность слоя на глубине 100-150 см достаточно постоянна и варьирует в небольших пределах независимо от условий увлажнения года (рис. 3, М54, М54-Э). Выше (25-75 см) формируется горизонт с высоким варьированием влажности. Влажность нижележащих горизонтов (150250 см), в которых замедляется передвижение влаги, неустойчива и определяется больше весенним влагона-коплением, чем выпадающими в этот сезон осадками. В глубоких горизонтах (более 275 см) насыщение влагой постоянно высокое и глины находятся в мягкопластичном состоянии. Гравитационной влаги до глубины 5 м не отмечено даже в экстремально влажный год.
Проведенные наблюдения за водным режимом на поверхности древней равнины, сложенной суглинистоглинистыми отложениями (М7), показали существенные отличия от вышеописанных. Здесь сказались приуроченность к замкнутому депрессионному понижению (М74), в котором накапливаются снеготалые воды, их проникновение в более глубокие горизонты и латеральное растекание, снижение процессов десукции и расходования влаги из глубоких горизонтов почв полевыми культурами (М71). Поэтому на протяжении всего вегетационного периода на глубине более 1,5 м сохранялись значительные (выше НВ) запасы почвенной влаги, в то время как в поверхностных горизонтах отмечались высокая контрастность увлажнения и явный
дефицит влаги в июне-июле. Сформировавшийся в это время на глубине 25-75 см горизонт иссушения прослеживается до конца вегетационного периода (М71). Почва под лесом характеризуется меньшей контрастностью профиля по увлажнению. Однако и здесь обнаруживается на глубине 50 см горизонт иссушения (М72). На границе с болотом в поверхностных и глубоких горизонтах на протяжении всего срока наблюдений прослеживались высокие значения влажности, в то же время на глубине 50-80 см во вторую половину лета сформировался горизонт иссушения, в котором произошел разрыв капиллярных связей (М73).
Заложенная в 2000 г. система мониторинга за состоянием природной среды в зоне действия Томского водозабора выявила изменение гидрологического режима ландшафтов на всей его территории. К настоящему времени уже накоплен ряд наблюдений, охватывающий различающиеся по увлажнению годы: умеренно влажный и теплый 2001 г.; влажный и умеренно теплый 2002 г.; относительно сухой и теплый 2003 г.; умеренно влажный и умеренно теплый 2004 г. и экстремально влажный и прохладный 2007 г. Экстремальность последнего года позволила более определенно вычленить климатический сигнал, определить значимость техногенных факторов в происходящих на исследуемой территории процессах.
Исследования показали, что водный режим почв, расположенных в разных типах ландшафта, неодинаково реагирует на внешние возмущения. Наиболее устойчивы почвы и биогеоценозы автономных позиций. Варьирование влажности, связанное с влиянием атмосферных осадков, здесь затрагивает только верхнюю часть почвенной толщи, нижние горизонты более связаны с наметившейся тенденцией иссушения почвенногрунтовой толщи в результате разрыва атмосферного и грунтового увлажнения. Поэтому в сухие годы усиливается стрессовый режим увлажнения фитоценозов, повышается опасность возникновения пожаров. Наименее устойчивы почвы переходных по гидрологическому режиму ландшафтов, к которым относятся заболоченные леса и мелкозалежные болота, участки с транзитными потоками влаги. При разрыве грунтового и атмосферного увлажнения в болотах при провальной фильтрации песков происходит направленное иссушение торфяных залежей. Деятельный горизонт болотных вод торфяной залежи при отсутствии подпора грунтовыми водами не восстанавливается. Устойчивые изменения торфяной залежи наиболее заметны в ландшафтах, примыкающих к первой очереди водозабора, и могут связываться с действием водозабора. Снижение уровней глубоких горизонтов грунтовых вод особенно заметно в местообитаниях, где в водном питании болот принимали участие выклинивающиеся склоновые воды. В настоящее время уровень почвенно-грунтовых вод снижен. Во влажные годы горизонт гравитационной влаги здесь на 2 м выше (230-250 см) по сравнению с сухими (420 см). В напочвенном покрове деградированных торфяников нами за все годы исследований не отмечалось восстановления сфагнового покрова. Встречаются только небольшие по размерам, пульсирующие в соответствии с динамикой погодных условий латки сфагновых мхов. Визуальные наблюдения за
растительностью показали, что основной фон на деградированных торфяниках создают мертвопокровные участки, включающие небольшие по размеру парцеллы с угнетенным покровом из зеленых мхов и лишайников. Во влажный год отмечаются расширения участков, покрытых зелеными мхами, увеличение их вертикальных приростов мхов. Болотные системы с большой мощностью торфа и грунтовым типом водного питания более устойчивы, сохраняют естественный тип растительного покрова. Заметных изменений растительного покрова в автономных позициях рельефа, связанных с изменением гидрогеологических условий, за все годы наблюдений не выявлено.
Таким образом, проведенные исследования выявили происходящие изменения в водном режиме почв и ландшафтов и их очевидную связь в центральной, наиболее глубокой части воронки депрессии с действием
водозабора. Индикатором являются сработка уровня болотных вод и деградация болотной растительности, устойчивость горизонта иссушений в почвах автономных позиций. На остальной территории признаки негативного воздействия водозабора слабо выражены. Как отмечено в [9], природные изменения водного режима и режима грунтовых вод за продолжительные интервалы времени происходят вокруг среднего многолетнего значения. Техногенные же изменения режимов и уровней подземных вод подчиняются закону однонаправленных, трендовых колебаний. Наблюдаемые нами изменения в гидрологическом режиме почв на территории Обь-Томского междуречья следует считать накапливающимися и представляющими в перспективе опасность возникновения кризисных ситуаций, снижения продуктивности лесов и рекреационной привлекательности территории.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воронков Н.А. О гидрологической роли почв и некоторых экологических методах управления водными ресурсами // Почвоведение. 1993.
№ 9. С. 55-63.
2. Воронков Н.А. Роль лесов в охране вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 285 с.
3. Попов В.К. Формирование и эксплуатация подземных вод Обь-Томского междуречья. Томск: Изд-во ТГАСУ, 2002. 143 с.
4. Хромых В.В. Природа и ландшафты юга Обь-Томского междуречья // Вопросы географии Сибири. Томск, 1997. Вып. 22. С. 198-211.
5. Дюкарев А.Г. Типология земель на основе структур почвенного покрова как способ эколого-хозяйственной организации Обь-Томского меж-
дуречья // Вопросы географии Сибири. Томск, 2001. Вып. 24. С. 272-286.
6. Платонов Г.М. Болота северной части междуречья Томи и Оби // Заболоченные леса и болота Сибири. М.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 65-97.
7. Глобальное потепление. М.: МГУ, 1993. 272 с.
8. Лебедев А.Ф. Почвенные и грунтовые воды. М.: Изд-во АН СССР, 1936. 314 с.
9. Роговой П.П. Водный режим почв на территории Беларусии. Минск: Наука и техника, 1972. 303 с.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 14 мая 2009 г.
