CC BY
129
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2011. Вып. 1. С. 227-236
Химия
УДК 581.526.33 (470.312)
Экологические особенности растительных сообществ сплавинных карстовых болот Тульской области
Д.В. Зацаринная, Е.М. Волкова
Аннотация. В статье рассматриваются особенности растительного покрова карстово-суффозионных болот, показаны различия по уровню залегания болотных вод, сезонной динамике УБВ и электропроводности для разных растительных сообществ на примере болот у пос. Озерный (Тульская область).
Ключевые слова: карстово-суффозионные болота, растительные сообщества, уровень болотных вод, общая минерализация.
Введение
Тульская область характеризуется низкой заболоченностью. Болотные экосистемы занимают 0,07% территории, однако различаются геоморфологическим положением, способом водно-минерального питания, характером растительного покрова, строением торфяной залежи, направлением болотообразовательного процесса.
Наименее изученными являются болота, сформированные в карстовых и карстово-суффозионных понижениях. На территории Европейской России подобные объекты были описаны в Ивановской, Нижегородской, Воронежской, Курской областях [10, 17, 19]. Карстовые болота Тульской области рассматривались в работах Х. Абиха [22], А.А. Крубера [13], Н. В. Рождественского [18] в середине XIX - начале ХХ вв. В 2000 году начался новый этап в изучении карстовых болот, характеризующийся комплексным подходом и включающий работы по исследованию растительного покрова, строению торфяных отложений и некоторых других функциональных особенностей болот.
Материалы и методы
Объектами исследования явились болота Тульской области, расположенной на северо-востоке Среднерусской возвышенности, в верховьях рек Оки и Дон. Карстовые явления на территории области достаточно широко распространены, что связано с геологическими, гидрогеологическими,
тектоническими особенностями [4, 19]. Однако заболачивание карстовых форм рельефа наиболее интенсивно протекает в пределах полосы распространения широколиственных лесов (Тульские Засеки), протянувшихся через центральную часть области.
В настоящее время известны и в различной степени обследованы 15 комплексов карстово-суффозионных болот (примерно 120 заболоченных провалов) [1, 5, 6, 7, 8]. Одним из наиболее крупных является комплекс у поселка Озерный (12 км к югу от Тулы), состоящий из 37 воронок, находящихся на разных стадиях заболачивания [6]. Именно на территории данного комплекса нами были организованы исследования, направленные на выявление экологических особенностей растительных сообществ карстовых болот. В данной статье обсуждаются результаты изучения трех модельных объектов.
Анализ карт и топографическая съемка позволили уточнить расположение и относительный гипсометрический уровень болот. Стандартные геоботанические описания [15, 16] послужили базой для составления карт растительных сообществ модельных болот [21].
Структура растительного покрова и разнообразие фитоценозов болот определяются особенностями водно-минерального питания, а именно — уровнем болотных вод (УБВ) и химическими свойствами воды. Для измерения УБВ в торфяную залежь по обычной методике [9, 14] были установлены трубки РУС диаметром 5,5 см длиной 60 см, перфорированные по всей длине через каждые 5 см. Нижние отверстия трубок были закрыты деревянными пробками, предохраняющими от заполнения торфом, а сверху — устья скважин прикрывались пластиковыми крышками для защиты от осадков и мусора. Верхние части трубок были занивелированы относительно репера, расположенного на минеральном берегу. За нулевую отметку была принята поверхность болота. При наличии мохового яруса за поверхность болота принимали поверхность сомкнутых головок сфагновых мхов. В остальных случаях под поверхностью болота понимали уплотненную поверхность, образованную переплетением корневищ растений и торфом.
Измерения УБВ проводили при помощи линейки. Частота наблюдений составила один раз в три дня. В периоды весеннего снеготаяния и летнеосенних дождей измерения проводились чаще [1, 2]. Исследования проводили в течение трех вегетационных сезонов (май (апрель)-октябрь с 2006 по 2008 гг). В данной работе представлены данные по 2-м изученным показателям — среднему значению УБВ и амплитуде колебания УБВ за период наблюдений.
Для характеристики химических свойств болотной воды были использованы значения рН и общей минерализация. Эти параметры определяли для корнеобитаемого горизонта сплавины. С этой целью в торфяную залежь были установлены трубки, аналогичные используемым для измерения УБВ, однако они были перфорированы только на глубине 30 см. Трубки были плотно обжаты торфом, что препятствовало попаданию воды из других слоев залежи. Отбор проб воды производился при помощи
желонки, имеющий вид черпака с ручкой. Исследуемые показатели измерялись рН-метр-кондуктометром Combo «Hanna». Частота наблюдения составила 2 раза в месяц в течение вегетационных сезонов (май - октябрь) с 2007-2008 гг. [1, 2]. В работе представлены средние данные по 4 различным растительным сообществам. Необходимо отметить, что подобные режимные наблюдения, отражающие динамику уровней болотных вод, а также гидрохимических характеристик воды корнеобитаемого горизонта для растительных сообществ карстово-суффозионных болот в Тульской области проводятся впервые.
Результаты и обсуждение
Болота у п. Озерный (Ленинский район) имеют карстово-суффозионное происхождение [20]. Такие болота располагаются одиночно или собраны в группы. Располагаясь по уклону поверхности, они образуют «каскады». Болота в каскадах контактируют посредством ручьев, представляющие собой временные водотоки, состояние которых зависит от количества выпавших осадков.
Болота также могут быть связаны подземным стоком, поскольку уровень залегания грунтовых вод расположен сравнительно неглубоко. Согласно данным по ближайшей гидрорежимной скважине № 138768 у д. Кочаки Щекинского района Тульской области (примерно 3 км к ЮВ от модельных объектов) за 1988-2008 гг., средний уровень грунтовых вод (Q) на данной территории составляет 1,5 м.
Глубина провалов, в которых сформированы болота, более 7 м. Их заболачивание протекало по сплавинному пути. Образовавшиеся сплавинные торфяные отложения имеют толщину 1,5—2,5 м [8]. Сформированный на таких сплавинах растительный покров болот разнообразен и отражает стадию развития каждого объекта.
Выбранные для исследования модельные объекты различаются по составу и структуре растительности, что отражает неоднородность экологических условий.
Болото 1 образовано в одиночном провале (площадь 0,05га, глубина 7 м) и находится на начальной стадии заболачивания. На глубину три метра данный провал заполнен водой, на поверхности которой сформирована 40 см сплавина, состоящая из древесного опада — веток и листьев (преимущественно клена и ясеня, произрастающих на минеральном берегу). Также в составе этих отложений обнаружены остатки некоторых трав и зеленых мхов [8]. Современный растительный покров представлен эвтрофным травяным гигрофильным кочедыжниково-недотроговым сообществом (рис. 1.1), которое характеризуется высоким обводнением УБВ (—1,2 см от поверхности). Сезонные колебания уровня болотных вод выражены очень слабо, их амплитуда составляет 3 см (рис. 2.1). Показатели рН и общей минерализации - одни из наиболее высоких
О
1
EZ3
Рис. 1. Карты-схемы растительных сообществ карстовых болот у пос.
Озерный Травяные
1. Обводненная окрайка
2. Таволговое (c Filipendula ulmaria)
3. Разнотравное (Calla palustris+Solanum dulcamara, Calla palustris+Lysimachia vulgaris, Calla palustris+Scirpus sylvaticus, Calla palustris +Athyrium filix-femina)
4. Телиптерисово-осоковое (Thelypteris palustris+Carex acuta)
5. Телиптерисовое (c Thelypteris palustris)
6. Кочедыжниковое (с Athyrium filix-femina)
Древесные
7. Ивово-травяное (Salix cinerea-Scirpus sylvaticus, Salix cinerea-Calla palustris)
8. Березово-камышовое (Betula pubescens-Scirpus sylvaticus)
9. Березово-телиптерисово-гипновое (Betula pubescens-Thelypteris palus-tris+Calliergon cordifolium)
10. Березово-вахтово-сфагновое (Betula pubescens-Menyanthes
trifoliata-Sphagnum riparium)
11. Березово-осоково-сфагновое (Betula pubescens-Carex lasiocarpa+Carex rostrata-Sphagnum fallax)
12. Комплекс очеретниково-осоково-сфагновых ковров (Rhynchospora al-ba+Carex rostrata-Sphagnum magellanicum+S. fallax; реже — Rhynchospora alba+Carex rostrata-Sphagnum fallax+S. angustifolium) с редкими кочками с березой (Betula pubescens, Chamaedaphne calyculata, Oxycoccus palustris, Sphagnum magellanicum — на вершинах, на склонах — Sphagnum angustifoli-um)
среди рассматриваемых модельных сообществ, их средние значения за наблюдаемый период равны — 5,8 и 86 мг/л соответственно. Максимумы приходятся на весеннее время после снеготаяния, а также на периоды после дождей. Таким образом, основная роль в питании данного болота
отводится делювиальным водам — за счет интенсивного поверхностного стока происходит поднятие УБВ, а также увеличение значений рН и общей минерализации. Из-за крайне небольшого размера болота, богатые минеральными веществами делювиальные воды, распределяются достаточно равномерно по его поверхности, что обеспечивает формирование однородного растительного покрова.
По мере развития сплавинного болота, сопровождающегося горизонтальным и вертикальным приростом сплавины, влияющим на распределение питающих болото вод, более резко проявляется пространственная дифференциация растительности. Это можно проиллюстрировать на примере следующих объектов.
Болото 2 расположено в понижении, образовавшемся из нескольких объединившихся карстовых провалов. Площадь болота 0,2 га, максимальная глубина — 8 м, мощность торфяной сплавины составляет 1,5 м. Сплавина образована осоковым, осоково-сфагновым, травяным и травяно-сфагновым (верхний горизонт) низинными видами торфа [8]. В окраинных частях, которые характеризуются более богатым водно-минеральным питанием за счет смыва с минеральных склонов, сформированы травяные и березово-камышовое сообщества (рис. 1.2). Для последнего фитоценоза характерно высокое положение УБВ — среднее значение (—3 см). Сезонный ход выражен отчетливо: наиболее значимые максимумы отмечаются
после снеготаяния (апрель), а также после сильных ливней. Амплитуда УБВ за период исследования высока — 12,6 см за счет максимального подтопления в весенний период (рис. 2.2). Средние показатели рН (5,4) и общей минерализации (90 мг/л) высоки и сравнимы с таковыми в травяном фитоценозе предыдущего болота, что обусловлено окраинным положением исследуемого сообщества и стоком богатых поверхностных вод.
С продвижением к центральной части болота травяные и березовокамышовые сообщества сменяются березово-телиптерисово-гипновым фитоценозом. Для этого сообщества характерно достаточно равномерное увлажнение (рис. 2.3) — амплитуда УБВ составляет 6,8 см, а среднее УБВ — (—7 см). Непосредственно в центральной части болота, в березово-вахтово-сфагновом фитоценозе (рис. 2.4) среднее значение УБВ понижается до (—8, 7 см), а амплитуда этого показателя составляет 7,2 см.
Изменение гидрохимических характеристик рассматривалось только для березово-вахтово-сфагнового сообщества, в котором значения рН и общей минерализации равны 5,1 и 59 мг/л соответственно.
Таким образом, в направлении «окрайка - центр» происходит обеднение водно-минерального питания. Это объясняется тем, что в данном направлении участие атмосферных осадков в питании возрастает, а роль поверхностных (делювиальных) вод - снижается. Кроме того, заметны отличия в гидрологическом режиме: с продвижением к центру болота обводнение снижается, а также уменьшается амплитуда УБВ, что указывает на более стабильные условия увлажнения. Можно предположить, что такой
Рис. 2. Динамика уровней болотных вод в модельных сообществах болот № 1, 2, 3 за 2006-2008 гг. (условные обозначения см. в тексте)
достаточно равномерный ход изменчивости УБВ за период наблюдений связан с особенностями торфяной залежи, представленной 1,5-метровой сплавиной, которая даже при длительном отсутствии осадков остается влажной за счет воды, непосредственно заполняющей карстовую воронку.
Растительный покров более крупных по площади болот разнообразнее, это связано с дифференциацией питающих вод.
Болото 3 наиболее крупное среди всех рассмотренных (более 1 га). Оно образовано в цепочке объединившихся общей торфяной залежью карстовых провалов [8]. Современный растительный покров отражает неоднородность строения торфяной залежи и особенности генезиса болота. Северная часть сформирована в неглубоком провале (3 м). Процесс заболачивания этой части болота протекал по «суходольному» пути, что способствовало вертикальному прирастанию торфяной залежи («со дна»), в результате чего образовалась сплошная торфяная залежь, сложенная низинными видами торфа [8]. На таком субстрате в настоящее время сформированы эвтрофные травяные ивово-травяные и березово-травяно-сфагновые сообщества (рис. 1.3).
Центральная часть болота приурочена к глубокой карстовой котловине (глубина более 9 м). Современный растительный покров характеризуется наиболее сложным строением. Для окраинных частей болота (глубина 4-6 м) [8], характерны эвтрофные травяные и березово-вахтово-сфагновые сообщества (рис. 1.3). Гидрологические показатели были определены для березово-вахтово-сфагнового фитоценоза, где средний УБВ равен (—4, 9 см), а амплитуда — 11,5 см (рис. 2.5).
С продвижением к центру происходит смена эвтрофных сообществ мезотрофными. Необходимо отметить, что последние сформированы на сплавине толщиной около 2 м, сложенной переходными видами торфа [8]. На границе с березово-вахтово-сфагновым сообществом образовано березово-осоково-сфагновое, которое сменяется ковром очеретниково-осоково-сфагнового фитоценоза (рис. 1.3). На таком ковре имеются редкие кочки, их высота составляет 20-30 см, диаметр 1,5-2 м. Для кочек характерно увеличение доли кустарничков Chamaedaphne calyculata, Oxycoccus palustris, в моховом ярусе на вершинах преобладает Sphagnum magellanicum, на склонах — Sphagnum angustifolium [8]. Большая часть кочек облесена молодой березой, максимальный возраст которой составляет 20-25 лет. Среднее значение УБВ в этом сообществе — (—9, 6 см), амплитуда колебания значений составляет — 14,4 см (рис. 2.6). Химические свойства воды характеризуются невысокими значениями рН (4,8) и общей минерализации (56 мг/л). Это объясняется тем, что данный участок использует для питания атмосферные осадки, а делювиальные воды играют менее значимую роль.
Выводы
Таким образом, несмотря на незначительный размер карстовых болот их растительный покров весьма разнообразен. В ходе геоботанического картирования 3-х модельных объектов было выделено 11 ассоциаций. Такое разнообразие можно объяснить неоднородностью экологических
условий, основными из которых являются степень и характер обводнения, гидрохимические свойства питающих вод (общая минерализация, рН).
Болота, образовавшиеся в одиночных провалах, характеризуются однородным растительным покровом (рис. 2.1), поскольку благодаря небольшим размерам распределение поверхностных вод происходит достаточно равномерно и особенности водно-минерального питания на разных участках сходны.
С увеличением площади болота, увеличивается разнообразие растительных сообществ. Так, для окраинных частей характерно обильное увлажнение богатыми делювиальными водами. При движении к центру в питании растительных сообществ начинают преобладать бедные атмосферные осадки (рис. 2.2, 2.3) и потому количество растворенных минеральных веществ в воде снижается. В центральной части болота также отмечено понижение уровня болотных вод.
Наши исследования показали, что из 3-х рассмотренных растительных сообществ наиболее требовательными к увлажнению (УБВср = -1,2 см) оказались гигрофильно-травяное сообщество с кочедыжником и березово-камышовое (УБВ = —3 см). Однако, если травяное сообщество нуждается в постоянном увлажнении (амплитуда всего 3 см), то березово-камышовое способно выдерживать значительные колебания уровня воды (амплитуда 12,6 см). Рассмотренные березово-вахтово-сфагновые фитоценозы отличаются достаточно широкой экологической амплитудой — среднее значение УБВ варьирует от —4, 9 см до —8, 7 см, а амплитуда — от 7,2 см до 11,5 см.
Средний уровень болотных вод в мезотрофном очеретниково-осоково-сфагновом сообществе — 9,6 см, однако значительны колебания УБВ за исследуемый период (14, 4 см ).
Результаты гидрохимических наблюдений также выявили различия в исследуемых сообществах. Гигрофильно-травяной и березово-камышовый фитоценозы отличаются высоким значением рН (5,4—5,8). Березово-вахтовосфагновые фитоценозы характеризуются рН 5,0—5,2. Наиболее низкие значения отмечены в очеретниково-осоково-сфагновом сообществе (рН 4,9).
Анализ результатов наблюдений за общей минерализацией воды показал, что наиболее высокие значения (86-90 мг/л) характерны для гигрофильно-травяного и березово-камышового фитоценозов. В березово-вахтово-сфагновых и очеретниково-осоково-сфагновом сообществах значения этого показателя варьируют незначительно: 59 и 56 мг/л соответственно.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что сохранение фитоценотического разнообразия карстовых болот Тульской области возможно только при поддержании гидрохимических показателей питающих вод. Нарушения водно-минерального питания, связанные с рекреацией, рубкой окружающих лесов и другими формами антропогенного воздействия, приведут к изменению трофности питающих вод, что обеспечит не только
смену растительности, но и будет способствовать исчезновению ряда редких и охраняемых видов растений и животных, связанных с болотными биотопами [12].
Список литературы
1. Вислогузова Д.В. О сезонной динамике болотных вод в карстовых болотах у пос. Озерный, Тульская область // Природа Тульской области: сб. научн. тр. Тула: Гриф и К, 2007. Вып.1. С.3-9.
2. Вислогузова Д.В. Эколого-гидрологические наблюдения на карстовых болотах Тульской области (на примере системы болот у пос. Озерный) // Исследования природы Тульской области и сопредельных территорий: сб. научн тр. Тула, 2008. Вып.1. С.130-133.
3. Вислогузова Д.В, Волкова Е.М., Сирин А.А. Растительность и мониторинг экологических условий сплавинных карстовых болот в Тульской области // Мониторинг и оценка состояния растительного мира: матер. международ. научн. конф. Минск, 2008. С.242-244.
4. Волкова Е.М., Бурова О.В., Вислогузова Д.В. Принципы районирования болот Тульской области // Естественные и технические науки. 2003. №4. С.34-38.
5. Волкова Е.М., Вислогузова Д.В., Барбашов Е.Р. О разнообразии болот Белевского района Тульской области // Исследования природы Тульской области и сопредельных территорий: сб. научн. тр. Тула, 2008. Вып.1. С.149-162.
6. Волкова Е.М., Вислогузова Д.В. Изменение состояние карстовых провалов и болот у пос. Озерный (Ленинский район, тульская область) за последние 100 лет // Исследования природы Тульской области и сопредельных территорий: сб. научн. тр. Тула, 2008. Вып.1. С.134-148.
7. Волкова Е.М., Бурдыкина Е.С. Возникновение, развитие и современное состояние карстовых болот у д. Кочаки (Щекинский район, Тульская область) // Природа Тульской области: сб. научн. тр. Тула: Гриф и К, 2007. Вып.1. С.88-105.
8. Волкова Е.М., Моисеева Е.В. О развитии сплавинных карстовых болот у пос. Озерный (Ленинский район, Тульская область) // Природа Тульской области: сб. научн. тр. Тула: Гриф и К, 2007. Вып.1. С.106-115.
9. Вомперский С.Э., Сирин А.А., Глухов А.И. Формирование и режим стока при гидролесомелиорации. М.: Наука. 1988. С.168.
10. Гребенщикова А.А. К вопросу о развитии болот в карстовых воронках Ивановской области. Советская ботаника. 1939. №1. С.117-120.
11. Дымов В.С., Сычев А.И., Гуркин В.В. Недра Тульской области. 2000. С.124.
12. Красная книга: Особо охраняемые природные территории Тульской области. Тула: Гриф и К, 2007.
13. Крубер А.А. О карстовых явлениях в России // Землеведение, кн. IV. Москва, 1900. С.21-34.
14. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 8: Гидрометеорологические наблюдения на болотах. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. С.360.
15. Полевая геоботаника. Под общ ред. Лавренко Е.М., Корчагина А.А. М.- Л. 1964. Т.3. С.530.
16. Полевая геоботаника. под общ ред. Лавренко Е.М., Корчагина А.А. М.- Л. 1972. Т.4. С.336.
17. Пьявченко Н.И. Торфяники Русской лесостепи. М.: Изд-во АН СССР, 1958.
18. Рождественский Н.В. Фалдинские и Тихвинские провалы // Изв. Тульского общества любителей естествознания. Тула, 1912. Вып.1. С.51-62.
19. Хмелев К.Ф. Торфяные болота центрального черноземья. Авторефер. дисс. на соиск. уч. степ. д-ра биолог. наук. Воронеж, 1975. С.38.
20. Чикишев А.Г. Проблемы изучения карста Русской равнины. М., Изд-во МГУ, 1979. С.304.
21. Юрковская Т.К. География и картография растительности болот Европейской России и сопредельных, территорий. Спб., 1992. С.256.
22. Abich H. Uber einen in der Nahe von Toula Stattgefundenen Erdfall // Melanges physiques et chimiques de I’Academie des Sciences» de S.- P., 1854. V.2. P.252-279.
Зацаринная Дина Владимировна ([email protected]), аспирант, Институт лесоведения РАН, с. Успенское, Московская обл; научный сотрудник отдела природы, Тульский краеведческий музей.
Волкова Елена Михайловна ([email protected]), к.б.н., доцент, кафедра ботаники и технологии растениеводства, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.
The ecological features of plant communities of float karst mires
in Tula region
D.V. Zatsarinnaya, E.M. Volkova
Abstract. The article showed the features of plant communities of karst mires and differences by water level and conductivity between them for mires near v. Ozernyi (Tula region).
Keywords: karst mires, plant communities, water level, conductivity.
Zatsarinnaya Dina ([email protected]), postgraduated student, Forest Institute of RAS, Odinciovo, Moscow region.
Volkova Elena ([email protected]), candidate of biological sciences, botany department, Tula State Leo Tolstoy Pedagogical University.
Поступила 09.12.2010
