CC BY
45
УДК 631.42
В. В. Панов
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ СФАГНОВЫХ БОЛОТ
Тверской государственный технический университет
Введение
1. Рост сфагнового мха, режим увлажнения и неоднородность деятельного или активного слоя вызывают в моховом покрове скоординированное механическое перемещение моховых дернин [1].
2. Каждая дернина «ищет» для себя оптимальные условия существования. Движение дернин происходит в интервале избыточного и недостаточного увлажнения субстрата. В результате перехода стволов мха из вертикального положения в горизонтальное возникает горизонтальное движение дернин. Об этом упоминалось в работах [2, 3].
3. Взаимодействие дернин приводит к развитию в моховом покрове участков переуплотнения или разуплотнения. Это влияет на рост, плотность и прочность деятельного слоя [4, 5, 6, 7].
4. Дернины распространяются на поверхности деятельного слоя в соответствии с его пространственной и временной неоднородностью [8].
5. Рельеф и колебание деятельного слоя, связанные с организацией движения моховых дернин, указывают на саморазвитие растущего торфяного болота.
6. Границы сфагновых дернин дешифрируются характером роста и направлением их перемещения.
Ранее установлено [1], что комплексная поверхность болота может быть представлена в виде мор-фодинамичских зон.
Главной целью работы является исследование поверхности, образованной головками сфагнового мха, его связь с изменением количества воды в области сфагновых дернин и в деятельном слое.
Объект и методика работы
На рис. 1 представлен фрагмент аэроснимка верхового болота с хорошо развитым грядово-мо-чажинным комплексом. Терелесовский-Грядский болотный массив расположен в Вышневолоцком районе Тверской области.
Рис. 1. Аэроснимок Терелесовского-Грядского болотного массива. М 1:25000 (номерами обозначены площадки съемки; стрелки -направления движения мха)
Это типичное болото южной тайги площадью 14 тыс. га. Средняя глубина торфяных отложений составляет 2 м (тах - 6.5 м). Верхний слой залежи (до 1-2 м) представлен слаборазложившимся сфагновым торфом. Средний слой представлен пуши-цево-сфагновым торфом с остатками сосны. Нижний слой состоит в основном из остатков осок.
Растительный покров представлен в краевой части евтрофными группировками с преобладанием осоки и березы. Ближе к центру - осоково-сфагновыми мезотрофными сообществами, еще ближе - сосново-сфагновыми и шейхцериево-сфагно-
выми олиготрофными сообществами. Центральная часть занята олиготрофным грядово-мочажинным комплексом - на повышениях преобладали моховые сообщества со Sphagnum fuscum and Sph. ma-gellanicum, а в понижениях Sph. cuspidatum, Sph. majus and Sph. balticum. Травяной покров представлен пушицей, шейхцерией, очеретником и осокой топяной. Повышения облесены сосной.
На болотном массиве организованы 14 площадок исследований, результаты 7 из которых представлены в работе. Подробно представлена площадка № 8. Площадки оборудованы металлическими реперами, вбитыми в минеральный грунт и нивелированными между собой.
При проведении плановой съемки поверхности были получены стереопары снимков, которые позволили с помощью стереофотограмметрических приборов построить геометрическую модель поверхности с точностью до 1 миллиметра (рис. 2). Частично методика проведения плановой съемки опубликована в работе [8], а полностью - в работе [9].
Наиболее удобные для исследования сечения рельефа составляют 12.5 и 25 мм. Съемка велась через 10-20 дней с апреля по октябрь. Каждая площадка была обустроена специальными поплавками для фиксации уровня воды (рис. 2).
Для дешифрирования направления движения дернин использовалась их способность при перемещении наклонять наземные части трав. Однозначно судить о направлении наклона стеблей трав можно по стереопарам снимков.
Для изучения критериев движения мхов выполнены измерения угла наклона и высоты стеблей трав, количества направлений наклона и количества стеблей на единицу площади. В результате получены картограммы достоверной взаимозависимости между этими критериями [1].
По трансектам (черные линии (рис. 1)) через 10 м с помощью компаса по доминирующим направлениям наклона трав определены их азимуты, что должно отражать организацию движения мхов на поверхности всего массива.
Результаты
В качестве примера приведены данные площадки № 8. Амплитуда между понижением и повышением составляет в среднем 10-20 см (max - 30 см). Визуальная граница между повышением и понижением дешифрируется на снимке по фронту направленных навстречу дернин повышений и понижений. Для границы характерно проникновение отдельных дернин в нехарактерную для них зону. Поэтому провести точную границу повышений и понижений можно не всегда. Кроме того, она меняет свое положение во времени в результате колебаний уровня воды и вслед за ней поверхности болота.
Рис. 2. Схема съемки и определения уровня воды
Для примера анализа динамики поверхности болота и уровня воды на участке № 8 представлены ее геометрические модели (рис. 3), составленные по положению верхушек сфагнового мха или участкам открытой воды.
Модели поверхности, построенные с меньшим сечением рельефа, слишком сложны и больше отражают биологические особенности отдельных особей мха.
Выбранное сечение - 12.5 и 25 мм - отражает средние размеры головок сфагнового мха и позволяет сгладить индивидуальные особенности мхов, а большее сечение сглаживает разницу между дернинами.
Как можно видеть из рис. 4 и 5, модели поверхности последовательно меняются от весны к середине лета, когда поверхность имеет минимальные отметки. Затем от середины лета к осени поверхность головок мха поднимается и в завершении опускается.
Рис. 3. Модели рельефа поверхности площадки № 8 (каждый тон соответствует одному интервалу высот: от темного до светлого - изменение рельефа от повышения к понижению; стрелками показано направление наклона трав или направление движения мхов; модель 15.10.90 г. содержит открытую поверхность воды - штрих)
Рис. 4. Зависимость изменения поверхности мохового покрова и уровня воды
О уровень воды под повышениями 1-0
С уровень воды под понижениями мост
Рис. 5. Изменение средних отметок повышений и понижений
Важно пояснить, что под изменением поверхности надо понимать:
- опускание-поднятие торфяных отложений в результате сезонного изменения их плотности -«дыхание болота»;
- рост мха в вертикальном направлении в сухой период времени за счет смыкания головок мха в целях сохранения воды в базальной части дернины;
- переход вертикально расположенных стеблей мха в горизонтальное положение под воздействием нарастающей массы или повышенной плотности области верхушек мха [4];
- возможный переход вертикально растущего мха в горизонтальное положение в период переоб-воднения дернин (весна и осень) и их распад на отдельные особи;
- стекание или смещение перенасыщенных водой моховых дернин под воздействием собственной массы.
Обращает внимание условность проведения границ повышений и понижений микрорельефа. Резкие границы микрорельефа встречаются в тех случаях, когда между дернинами мхов повышений и понижений нет выраженных взаимодействий. Наоборот, там, где это взаимодействие выражено ярко, граница не имеет четкой границы, а представлена полосой или переходной буферной зоной. Эта зона меняет свой размер и принадлежность к элементам микрорельефа в зависимости от погодных особенностей года.
Можно отметить как погрешность эксперимента или в равной степени как природную особенность
разницу уровня воды в моховой дернине и в измерительной трубке (рис. 4). В некоторых случаях, например площадка № 1 - на снимке открытая поверхность воды видна между головок мха или в виде небольших, несколько сантиметров длиной «озер», а в трубке вода стоит ниже. Наоборот, на площадке № 4 воды на снимке не видно, а в трубке уровень стоит выше поверхности мха. Объяснить это можно неоднородностью деятельного слоя и неравномерным распределением в нем давления воды.
Интерес вызывает еще один результат. Некоторые площадки были оборудованы двумя и тремя измерителями уровня воды на расстоянии 40-60 см друг от друга.
Данные изменения уровня воды приведены на рис. 61. Можно предположить, что количество воды и распределение в ней давления в деятельном слое в значительной степени зависят от неоднородности деятельного слоя и его динамики.
22 04 90 29 05 6 07 26 07 25 08 18 09 1610
0 поверхность мха понижений Г 0 ф поверхность мха повышений
МО ст
Рис. 6. Изменение уровня воды в деятельном слое Обсуждение
При изменении количества воды в деятельном слое его плотность может по-разному влиять на
1 Автор долго не решался публиковать эти результаты, но дополнительная проверка геометрических моделей и дополнительные консультации с гидрологами убедили автора, что присутствие ошибки не может принципиально повлиять на представленные результаты.
развитие мохового покрова. При повышении уровня воды или увеличении количества воды в деятельном слое его неоднородность при его высокой плотности может сглаживаться. Это вызывает появление моховых ковров. Если плотность низкая, то частичное всплывание или набухание слаборазложившей-ся торфомассы может вызвать сохранение его неоднородности и кочковатости поверхности.
При понижении уровня воды в деятельном слое может проявляться скрытая неоднородность его строения. Это способствует ее развитию-росту и закреплению в микрорельефе и в торфяной залежи.
В результате в сухие периоды неоднородность деятельного слоя и торфяной залежи развивается, а во влажные - исчезает или сглаживается.
Моховой покров в этом случае является строительным материалом, перемещение которого отражает тенденции роста неоднородности деятельного слоя. И наоборот, пространственная и временная динамика неоднородности деятельного слоя организует движение и развитие мохового покрова.
На рис. 6 показано изменение средних отметок поверхности повышений и понижений. В целом изменения отражают изменение климатических параметров, но обращает внимание отсутствие однонаправленности и синхронности изменений для разных участков болота. Как и в случае связи изменения поверхности и уровня воды (рис. 4) можно отметить индивидуальность каждой площади в
представленном масштабе. Вероятно, что в масштабе болотного массива существуют участки с разным характером колебаний и неоднородностью деятельного слоя - т.е. существует зональность деятельного слоя. Она отражает симметрию распределения гидростатического давления в болотном массиве и его формы. Координация развития поверхности осуществляется не только в результате стока воды через деятельный слой, но и через изменение его плотности и неоднородности. Таким образом, деятельный слой - это самоорганизующаяся активная среда с меняющейся плотностью.
Между колебаниями деятельного слоя и количеством воды в нем в зависимости от его положения в плане болотного массива и его общей деформации можно предложить несколько вариантов связи: 1) параллельного и равного изменения; 2) противоположного и равного; 3) параллельного и неравного; 4) противоположного и неравного (подробнее [10]).
Их характер указывает, что на деятельный слой действует множество сил, сводимых к паре сил -тяжести и взвешивания, отвечающих за его механическое равновесие.
Если плотность деятельного слоя соответствует давлению воды, то в случае активного газообразования гидростатическое давление возрастает без повышения уровня воды за счет давления свободного или растворенного газа.
Поступила в редакцию 14.02.2008
Литература
1. Панов В.В. Некоторые особенности развития сфагнового мохового покрова верховых болот // Ботан. журн. 2006. Т. 91(3). С. 32-40.
2. Антипин В.К., Лопатин В.Д. Динамика сфагновых ценопопуляций южно-карельских аапа болот // Структура и развитие болотных экосис-
тем и реконструкция палеографических условий. Таллин, 1989. С. 12-14.
3. Конойко М.А. Методика и результаты исследований грядово-мочажинного комплекса // Структура и развитие болотных экосистем и реконструкций палеогеографических условий. Таллин, 1989. С. 75-80.
4. Воробьев П.К. Исследование физических характеристик деятельного горизонта неосушенных болот // Труды ГГИ. Л., 1965. Т. 126. С. 65-96.
5. Кузьмин Г.Ф. Развитие олиготрофных болотных систем и перспективы их использования. Автореф. дисс. ... канд. географ. наук. Л., 1980. 21 с.
6. Лиштван И.И., Базин Е.Т., Косов В.И. Физические процессы в торфяных залежах. Минск, 1989. 290 с.
7. Смоляницкий Л.Я. Некоторые закономерности формирования дернин сфагновых мхов // Ботан. журн. 1977. Т. 52(9). С. 1269-1272.
8. Панов В.В. Об организации болотных морфосистем на основе стереофотограмметрического метода наблюдений // Болота охраняемых территорий: проблемы охраны и мониторинга. Л., 1991. С. 100-103.
9. Панов В.В. Стереофотограмметрический метод при мониторинге болотных морфосистем. Дисс. ... канд. техн. наук. М., 1992. 188 с.
10. Панов В.В. Кинематика растущего торфяника // Торфяная отрасль и повышение эффективности использования энергоресурсов. Тверь, 2000. С. 80-85.
