CC BY
46
Труды Карельского научного центра РАН Выпуск 6. Петрозаводск, 2004. С. 27-41
ЛАНДШАФТНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ ЗАБОЛОЧЕННОСТИ КАРЕЛИИ
В. А. КОЛОМЫЦЕВ
Институт леса Карельского научного центра РАН
В статье изложены основные подходы к ландшафтно-экологическим исследованиям феномена заболоченности тайги. На основе данных, полученных с 1978 г. в ходе изучения структуры и динамики заболоченности региона на ландшафтном уровне организации экосистем, проанализировано влияние ведущих экологических факторов: морфогенеза ландшафтов (прежде всего рельефа), подзональных отличий климата и особенностей строения гидрографической сети - на структуру и динамику заболоченности территории Карелии, влияние заболоченности как важного современного системоформирующего экологического фактора - на взаимодействие лесо- и болотообразовательного процессов, трансформацию почв, фрагментацию почвенного и лесного покрова, разнообразие экосистем. Сформулированы принципы количественной оценки темпов современного заболачивания в таежной зоне и составлен прогноз его развития в различных типах ландшафтов. Даны предложения по экологически сбалансированным объемам проведения ле-соосушения в зависимости от ландшафтной и зонально-климатической дифференциации территории Карелии.
V. A. KOLOMYTSEV. LANDSCAPE-ECOLOGICAL STUDY STRUCTURE AND DYNAMICS OF PALUDIFICATION IN KARELIA
The article is devoted to the principal approaches dealing with the landscape-ecological study of forest paludification in taiga zone.
The study of landscape structure has been carried out since 1978. As a result:
1. The effects of landscape morphogenesis, subzonal distinctions in climatic features, specific characteristics of the drainage network structure on the structure and dynamics of paludification in Karelia were analysed.
2. The effects of paludification on interactions between forest- and mire formation processes, soil transformation, fragmentation of the soil and forest cover, ecosystem diversity were analysed.
3. Guidelines for quantitative estimation of current paludification rates in the taiga zone were formulated, and a forecast of the paludification dynamics in different landscape types was made.
4. Proposals on environmentally sustainable forest drainage volumes depending on the landscape and climatic-zone differentiation of Karelian territory have been put forward.
Введение
Основные экосистемы Карелии - это леса, болота и водоемы. До настоящего времени главным объектом промышленной и хозяйственной деятельности в республике остается лес. В гос-лесфонде Карелии заболоченные земли и болота занимают 5,4 млн га, или 37% всей его площади. Сюда входят 1 млн 828 тыс. га лесной площади и 3 млн 626 тыс. га нелесной, состоящей из сла-
бооблесенных и безлесных болот [15]. Фактически более трети территории республики представлено малопродуктивными землями. Прирост древесины в заболоченных лесах очень низкий. Запас ее в среднем 60 мЗ/га, что гораздо меньше по сравнению с незаболоченными землями. Леса сфагновой группы типов леса, составляющие 56% от всех заболоченных, имеют средний запас около 40 мЗ/га, что делает их эксплуатацию экономически невыгодной [14, 17, 20].
Часть Восточной Фенноскандии, расположенная в Карелии, наряду с Финляндией, отличается весьма хорошей изученностью болотного фонда. Здесь работали на протяжении десятилетий такие классики российского и мирового болотоведения, как Е. А. Галкина, Л. Я. Лепин, В. Д. Лопатин, Н. И. Пьявченко, Т. К. Юрковская, Г. А. Елина и др., развивая идеи в области болотоведения. В 1957 г. был издан кадастр «Торфяной фонд Карельской АССР», дополненный в 1975 г. Немалый вклад в изучение болот региона внесли комплексные исследования БИНа в 30-х годах XX в. и др. Под руководством чл.-корр. АН СССР Н. И. Пьявченко, к. с.-х. н. В. М. Медведевой, к. с.-х. н. Г. Е. Пятецкого в 60-70-х годах XX в. проводилось изучение болот и заболоченных лесов в целях их хозяйственного использования - как основных объектов лесной гидромелиорации. Необходимо отметить, что эти исследования затрагивали преимущественно объекты, пригодные для их использования, вне связи с окружающим ландшафтом, поскольку отсутствовали методология и критерии комплексного подхода к изучению феномена заболоченности.
Процесс заболачивания в тайге - зонально обусловленное явление. Он здесь так же обычен, как преобладание подзолистых почв и хвойных пород в коренных лесах. Степень заболоченности не статична, поскольку динамика процесса заболачивания преимущественно направлена на расширение площади болот и заболоченных лесов. По ориентировочным подсчетам Н. И. Пьявченко [15], болота захватывали в Карелии в среднем 800-900 га леса в год. В результате изменился гидрологический режим, структура экосистем, сократились запасы древесины. Причем эти изменения нельзя воспринимать однозначно положительно, принимая во внимание его естественность, или отрицательно, исходя из хозяйственных, потребительских соображений.
Истощение лесосырьевых ресурсов в Карелии к 70-м годам XX в. на фоне роста в их потребности и неудовлетворительное состояние лесовосстановления способствовали в то время вовлечению потенциально продуктивных заболоченных земель и болот в лесохозяйствен-ное освоение [15, 17]. В экономическом отношении наиболее эффективным из них является гидролесомелиорация [5, 16, 21 и др.]. Следует также отметить сравнительно слабое экологическое воздействие искусственного дренажа по сравнению с другими видами деятельности, направленными на увеличение прироста дре-востоев и создание новых площадей, пригодных для произрастания лесов в условиях избыточного увлажнения почв.
До настоящего времени в Карелии основным критерием освоения болот и заболоченных лесов служит потенциальная продуктивность этих категорий земель, определяемая по лесоводственным признакам на уровне групп
типов леса и типов болот [17]. Разработанный подход к выделению групп эффективности гидролесомелиоративного фонда (при всей своей конкретности и исключительно большой практической значимости) и его административно-территориальное деление не позволили в то время сформировать целостное представление о структуре и динамике заболоченности этой уникальной по сложности и многообразию природных комплексов таежной территории. Смешивание принципов выделения объектов гидролесомелиорации, с одной стороны, по природным особенностям на элементарном уровне - группам типов условий местопроизрастания (по потенциальной продуктивности) и, с другой стороны, по административным районам не несет в себе информации об экологической и хозяйственной оценке обоснованных объемов гидролесомелиорации.
Для разрешения противоречия между этими подходами был предложен ландшафтно-эколо-гический метод исследования современной структуры и динамики таежных экосистем на примере Карелии [3, 4, 10-13]. В результате его применения было сформулировано основное положение, которое заключается в том, что стратегия и тактика гидролесомелиорации в системе мероприятий устойчивого экологически обоснованного природопользования в таежной зоне должны быть направлены на охрану лесов от заболачивания, а болот - от нерационального осушения.
Цель данной работы заключается в определении ландшафтно-экологических и зональных особенностей современной структуры и динамики заболоченности Карелии. Исходя из поставленной цели, основные направления исследований включали в себя решение следующих задач:
1. Влияние региональных ландшафтно-экологических условий на структуру и динамику заболоченности:
- морфогенез и рельеф ландшафтов;
- ландшафтно-типологические и зонально-географические условия;
- гидрографическая сеть и структура водораздельных и водосборных пространств;
- флуктуации современного климата.
2. Влияние болотообразовательного процесса на структуру и разнообразие таежных экосистем:
- трансформация растительности и почв;
- фрагментация лесного покрова;
- разнообразие местообитаний.
3. Теоретические подходы и практические результаты исследования структуры и динамики заболоченности:
- методика исследований заболоченности территории на ландшафтном уровне организации экосистем;
- количественное моделирование и прогнозирование процесса заболачивания;
- практическое значение ландшафтно-эко-логических исследований структуры и динамики заболоченности.
Определения
ЛАНДШАФТ - экологическая система с преобладанием сочетания генетически однородных форм рельефа, почв, микроклиматов, гидрографической сети, фито- и зооценозов, существует в единых климатических условиях, со специфическими взаимосвязями между слагающими его экосистемами и их компонентами [2, с. 11].
ЗАБОЛОЧЕННОСТЬ - данный термин следует понимать не только в качестве доли участия (%) болот в структуре экосистем ландшафтов, но и как природный феномен, включающий в себя проявление всей совокупности болото-образовательного процесса от начальных стадий заболачивания территории до зрелых и разрушающихся болотных экосистем.
БОЛОТО - динамическая экосистема, структурный компонент ландшафта, где нарушение обмена веществ и энергии под влиянием сильного постоянного или длительного увлажнения происходит накопление торфа; саморазвитие и темпы роста болота лимитируются гидроклиматическими и морфогенетическими условиями территории.
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ЗАБОЛАЧИВАНИЯ - понятие о возможном современном развитии процесса заболачивания минеральных незаболоченных земель в результате горизонтального роста болот; определяется косвенным методом с учетом средних взвешенных значений уклонов поверхности незаболоченных (минеральных) форм рельефа и средних значений ежегодных темпов торфонакопления, т. е. стабильной, далее не разлагаемой толщиной слоя торфа, который формируется в торфяной залежи болот в течение сотен лет.
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАБОЛАЧИВАНИЯ - понятие о развитии болотообразова-тельного процесса, определяемое средними взвешенными значениями уклонов заболоченных и болотных поверхностей в ландшафтах, диагностирует его возможности «освоения» ресурсов рельефа, т. е. чем круче склоны, на которых способны формироваться заболоченные и болотные местообитания, тем выше энергия этого процесса.
делении меры воздействия ведущих экологических факторов на структуру и динамику заболоченности Карелии - уникального таежного региона. Активное заболачивание таежной зоны обусловлено в основном превышением количества атмосферных осадков над испарением, в Карелии в среднем в 1,5 раза (табл. 1).
Таблица 1. Основные климатические характеристики территории Карелии (по: [19])
Сумма осад- Сумма Средняя Гидро-
Агрокли- ков за теплый летних величина термиче-
матиче- периоде! темпера- испаре- скии
ская зона более тур более ния за коэффи-
5 °С 10 °С 10 °С год, мм циент
Северная 300 140 930-1000 150 1,3-1,5
Средняя 350 200 1230 200 1,5-1,7
Южная 400 250 1550-1600 250-300 1,5-1,8
В государственном лесном фонде республики заболоченные леса и болота занимают 5,4 млн га, или 37% его площади. Следовательно, признак заболоченности служит одной из важнейших характеристик ландшафтов - при-родно-территориальных комплексов (рис. 1, табл. 2).
Таблица 2. Классификация типов ландшафтов Карелии (по: [4])
Преобладающие типы местообитаний (по коренным формациям)
Заболоченность территории
сильная
>50%
средняя 20-50%
слабая <20%
I. Озерные, озерно-ледниковые и морские (М) равнины Еловые 1 2
Сосновые 3 4 5
II. Ледниковые (Л) и водно-ледниковые (ВЛ) холмисто-
грядовые
Еловые - 6
Сосновые 7 8 9
III. Ледниково-аккумулятивные сложного рельефа Еловые - 10
Сосновые - 11
IV. Денудационно-тектонические холмисто-грядовые с комплексами ледниковых образований (Л) и низкогорий (Г) Еловые - 12
Сосновые 13 14
V. Денудационно-тектонические грядовые (сельговые) Еловые - 15 16
Сосновые - 17 18
VI. Скальные
Сосновые - 19 20
Основные результаты исследований
1. ВЛИЯНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ ЛАНДШАФТНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА СТРУКТУРУ И ДИНАМИКУ ЗАБОЛОЧЕННОСТИ
Морфогенез и рельеф ландшафтов
Как известно, климат определяет, а рельеф распределяет природные особенности любой территории. Наша задача заключается в опре-
В Карелии выделено 20 типов ландшафтов, которые в соответствии с поставленными задачами объединены в четыре группы:
- равнины озерно-ледниковые и морские;
- холмисто-грядовые и холмистые водно-ледниковые;
- холмисто-грядовые денудационно-текто-нические со слабо расчлененным рельефом;
- холмисто-грядовые денудационно-тектонические с сильно расчлененным рельефом.
Степень заболоченности ландшафтов варьирует от 10 до 85%. Кроме различий в степени заболоченности, различается и ее характер, т. е. в одних ландшафтах существенно преобладают заболоченные леса над открытыми болотами, тогда как в других их доля незначительна, различен породный состав древостоя, типы болот и др. Наиболее существенной интегральной характеристикой рельефа служит среднее взвешенное значение уклонов поверхности как для категорий земель: минеральных, заболоченных (с толщей торфа до 30 см), болотных (с толщей торфа более 30 см), так и для ландшафта в целом (рис. 2).
Распределение категорий земель по уклонам поверхностей показывает единый его характер в моногенетических группах ландшафтов северной и средней тайги. Это свидетельствует об объективности данных показателей в оценке структурных особенностей заболоченности таежных территорий на ландшафтном уровне организации экосистем.
Ландшафтно-типологические и з о н а л ь н о - г е о г р а ф и ч е с к и е условия (потенциальная энергия заболачивания)
Основным критерием потенциальной энергии заболачивания территории служит среднее взвешенное значение уклонов поверхности (7 = 1да), при котором этот процесс может активно развиваться. Данный параметр рассчитан на основе инструментальной съемки ландшафтных профилей. Их протяженность составляет более 250 км для каждой категории земель -незаболоченных (минеральных), заболоченных с толщей торфа до 30 см и болотных (лесных и открытых) с толщей торфа более 30 см в северотаежной и среднетаежной подзонах Карелии. В результате исследований впервые выявлена зависимость крутизны склонов заболоченных и болотных поверхностей от фоновых значений для незаболоченных территорий, а также подзональные различия показателя потенциальной энергии заболачивания. Если проанализировать эти данные с точки зрения ландшафтной неоднородности Карелии, можно обнаружить, что различие между подзонами четко проявляется лишь в ландшафтах денуда-ционно-тектонического генезиса, тогда как в двух других группах потенциальная энергия заболачивания практически одинакова (рис. 3).
По потенциальной энергии заболачивания денудационно-тектонические ландшафты северотаежной подзоны превосходят среднета-ежную в 1,5-2 раза в ландшафтах со слабо расчлененным рельефом и в 3-3,5 раза в ландшафтах с сильно расчлененным рельефом. Тем не менее попарное соотношение этих показателей, т. е. соотношение между минеральными и заболоченными землями и между заболоченными и болотными землями, в пределах подзон по моногенетическим группам ландшафтов
различаются довольно существенно (рис. 4). В северотаежной подзоне различие попарных соотношений склоновых показателей во всех группах ландшафтов положительное, а в среднетаежной подзоне - отрицательное, притом что сами эти значения в среднетаежной подзоне выше, чем в северотаежной, приблизительно в 1,3 раза. Общим для подзон являются сравнительно слабые различия в показателях попарных соотношений между категориями земель в равнинных ландшафтах озерно-ледникового и морского генезиса и денудационно-тектони-ческих ландшафтах со слабо расчлененным рельефом, но, как уже отмечалось, с различной тенденцией связи между ними. Гораздо большие различия данных показателей между подзонами характерны для ландшафтов с расчлененным рельефом. Можно сказать, что они мало сопоставимы как по полученным значениям, так и по тенденции связи между ними (рис. 3).
С экологической точки зрения смысл данных показателей заключается в выявлении влияния топологических и зональных особенностей бо-лотообразовательного процесса с учетом незаболоченных территорий и меры воздействия последних на возможности его потенциального развития. Полученные данные можно интерпретировать следующим образом:
- чем выше значение попарного соотношения между категориями земель, тем ниже потенциальная энергия заболачивания;
- положительная связь попарных соотношений склоновых показателей в пределах мор-фогенетических групп ландшафтов характеризует усиление потенциальной энергии заболачивания, а отрицательное - ее ослабление (рис. 4). Таким образом, значение, выраженное через уклон поверхности заболоченных и болотных экосистем, является физической величиной, отражающей возможность развития данного процесса и индивидуальные черты различных морфогенетических групп ландшафтов. Если абстрагироваться от степени заболоченности территории, то значение потенциальной энергии заболачивания приобретает «самостоятельный», системоформирующий характер. Данный параметр следует учитывать при планировании объемов работ по профилактической гидролесомелиорации.
Таким образом, в пределах нашего региона не зонально-климатические условия (по крайней мере не напрямую) оказывают решающее воздействие на структуру и динамику заболоченности, а морфогенетические особенности рельефа и гидрологические (или гидрогеологические) условия.
Гидрографическая сеть и структура водораздельных и водосборных пространств
Изучение влияния гидрографической сети на заболоченность ландшафтов позволило выявить ряд особенностей собственно гидро-
©
Холмисто-грядовые ландшафты денудационно-тектонического генезиса со слабо расчлененным рельефом
А Б
Холмисто-грядовые ландшафты денудационно-тектонического генезиса с сильно расчлененным рельефом
Рис. 2. Средние взвешенные значения уклонов поверхностей различных категорий земель в морфогенети-ческих группах ландшафтов и подзонах тайги Карелии:
подзоны: А - северотаежная, Б - среднетаежная; категории земель: БО - болота открытые; ЛБ - лесные болота; ЗЛ - заболоченные леса; ЛМЗ - леса на минеральных землях. Значения уклонов поверхностей: 1 - до 0,001; 2 - до 0,01; 3 - до 0,1; 4 - до 1,0; 5 - 1,0 и более
©
Рис. 3. Распределение средних взвешенных значений уклонов поверхностей категорий земель в морфогенети-ческих группах ландшафтов по подзонам тайги Карелии:
категории земель: 1-1 - болотные; 11-11 - заболоченные лесные; Ill-Ill - минеральные (незаболоченные) лесные; морфоге-нетические группы ландшафтов: 1 - равнины озерно-ледниковые и морские; 2 - холмисто-грядовые водно-ледниковые; 3 - холмисто-грядовые денудационно-тектонические со слабо расчлененным рельефом; 4 - грядовые (сельговые) и низкогорные дену-дационно-тектонические с сильно расчлененным рельефом
Рис. 4. Соотношение между показателями средних взвешенных значений уклонов поверхностей категорий земель в северотаежной (слева) и среднетаеж-ной (справа) подзонах Карелии:
морфогенетические группы ландшафтов: I - равнины озерно-ледниковые и морские, II - холмисто-грядовые водно-ледниковые, III - холмисто-грядовые денудационно-тек-тонические со слабо расчлененным рельефом, IV - холмисто-грядовые и низкогорные денудационно-текто-нические с сильно расчлененным рельефом; соотношение показателей уклонов поверхностей между категориями земель (по оси ординат): 1 - минеральные/заболоченные, 2 -заболоченные/болотные
I >5 Ф О)
О О
S5
Средняя тайга
(X
X
Q) т со х
со
QJ J3 X X
О)
_ 3
CD Q) Ш ш ш О 0) CO X
(J m о $ §
CL >
Ф
CL
О
со
L_
>s
CO t-CK
со
X
a
—i-1-1-1-1-1-1-1-1-1—
0,05 0,1 0,12
Средняя тайга Средневзвешенные значения уклонов поверхности
Северная тайга
графической сети, которые ранее не были отмечены для Карелии. В частности, то, что в различных типах ландшафтов между густотой речной сети и протяженностью береговой линии озер на единицу площади существует обратно пропорциональная зависимость.
Как же влияет гидрографическая сеть на заболоченность ландшафтов? Принято считать, что густота речной сети служит важнейшим показателем дренированности территории. Чем она выше, тем ниже степень заболоченности. Однако в действительности мы наблюдаем обратную картину, т. е. прямо пропорциональную зависимость между этими показателями в се-
веротаежной подзоне и отсутствие зависимости в среднетаежной. Зависимость заболоченности ландшафтов от плотности береговой линии озер совершенно определенная - обратно пропорциональная в обеих подзонах (рис. 5).
О слабом влиянии гидрографической сети на степень заболоченности Карелии свидетельствует и тот факт, что данный показатель на водораздельных и водосборных пространствах в большинстве типов ландшафтов различается всего на 1-3%, притом что густота элементов гидрографической сети на водосборных пространствах в 20-30 раз выше, чем на водораздельных [13].
Северотаежная подзона Карелии
а о
X X
а)
X
О §
\о га со л х 0) с а) (-О
90-80-70
60 50-40-30-20-10
чО
о4
I-О О X
X
а) т о с;
0 \о га со
XI
1
а> с а> ь О
90-80-70
60 50 40 И 30 20 10
2 3 4 5 6 7 Плотность водотоков (км/тыс. га)
1 2 3 4 5 6 7 Плотность береговой линии озер (км/тыс. га)
Среднетаежная подзона Карелии
« 5
Р
О
0
1 X
си т
о с; о ю га га л х 0) с 0) I-
О
80-70-60-50-40-30-20-10-
_ 80-1
8 60 I 50
о
§ 40 \о
8 зо
л
| 20Н 5 ЮН
18.
2 3 4 5 6 7
Плотность водотоков
(км/тыс. га)
2 3 4 5 6 7 8 У 10 11
Плотность береговой линии озер (км/тыс. га)
Рис. 5. Зависимость степени заболоченности (%) от плотности водотоков (густоты речной сети) (слева) и плотности береговой линии озер (справа):
1-1 - заболоченность >50%; 11-11 - заболоченность <50%;-----средневзвешенное значение
Таким образом, можно сделать вывод о том, что густота элементов гидрографической сети ландшафтов Карелии не оказывает непосредственного влияния на их заболоченность и служит лишь отражением морфогенетических особенностей их рельефа.
Флуктуации современного климата
Климат (прежде всего соотношение тепла и влаги) является ведущим фактором формирования среды и весьма динамичным. В этой связи был изучен вопрос влияния флуктуаций климата на взаимоотношения лесных и болотных экосистем. В результате выявлено, что известный период потепления 30-х годов XX в. сопровождался ростом температур и снижением количества атмосферных осадков и, соответственно, снижением коэффициента увлажнения (рис. 6, табл. 3).
Разнонаправленные тренды основных климатических показателей, наблюдавшиеся на протяжении 35 лет (т. е. с начала XX в.), обусловили появление на некоторых открытых болотах вторичных древостоев. Открытые участки некоторых болот в зависимости от площади и господствующих биогеоценозов сократились от 5 до 100%.
Последовавшее затем похолодание и довольно резкое увеличение годового количества осадков не привели к исчезновению этих лесов. Вероятно, это связано с сохранением тенденции роста температур и снижения количества осадков в мае и июне, что обеспечивало более благоприятные условия для роста и развития древостоя в начале вегетационного периода, наряду с увеличением продолжительности последнего (см. табл. 3).
1871 1893 1915 1937 1959 1992
Го д ы
Рис. 6. Динамика индекса увлажнения в среднетаежной подзоне Карелии (Петрозаводск) по 11-летиям
Таблица 3. Средние месячные температуры воздуха (t °С) среднетаежной подзоны Карелии и сглаженные показатели их абсолютных изменений (с 1857 по 1994 г.)
Месяц Средняя многолетняя температура (°С) Тренд изменения средней температуры (°С)
I -10,12 -0,6
II -9,91 +0,2
III -5,32 +1,6
IV + 1,15 +1.0
V +7,4 +1,8
VI + 13,32 0
VII + 16,31 -0,5
VIII + 14,9 -0,2
IX +9,1 -0,2
X +3,21 -0,2
XI -2,58 +0,9
XII -7,4 +0,8
Итого S п/12 = +2,33 X п/2/12 = +0,2
2. ВЛИЯНИЕ БОЛОТООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА НА СТРУКТУРУ И РАЗНООБРАЗИЕ ЭКОСИСТЕМ
Трансформация растительности и почв
Заболачивание за счет разрастания болот в стороны можно рассматривать в качестве простого «механического» процесса, что не отражает качественные изменения, происходящие в экологических системах под его влиянием. Визуально этот процесс определяется по наличию гидрофильных мхов. При среднем за вегетационный период уровне грунтовых вод около 50 см наблюдается сильная расчлененность органогенного нанорельефа в результате дифференциации напочвенного растительного покрова. Морфологические различия окраек обусловливают разнообразие структуры и соотношения фаций и растительных микрогруппировок. На контакте леса и болота обычно происходит деградация древостоя.
Заболачивание сопровождается изменением химических показателей почвы. Под влиянием моховой растительности ее кислотность повышается. Общей чертой почвенного профиля является усложнение его морфологического строения в результате разрушения слоистости горизонтов, приобретения мозаичности при одновременном возрастании мощности подзолистого горизонта (А2) (рис. 7). В дальнейшем вследствие высокой кислотности и анаэробных условий происходит деградация почвенных горизонтов под толщей торфа. Процесс этот в наших климатических условиях необратим [11,13].
Фрагментация лесного покрова
Одним из актуальных вопросов является исследование влияния заболоченности на фрагментацию и устойчивость лесных таежных экосистем. Лесной покров тайги всегда был фраг-ментирован естественным образом. Сами понятия «тип местообитания», «биогеоценоз», «экосистема» и т. п. подразумевают ограниченный в пространстве фрагмент (в данном случае территории) с соответствующими свойствами.
Большую роль в фрагментации лесного покрова тайги, наряду с реками и озерами, играют открытые болота. Процесс заболачивания лесов, как уже было отмечено, сопровождается коренным изменением почвенного покрова и растительности. Таким образом, чтобы понять роль и значение подобного рода фрагментации, ее следует рассматривать на двух уровнях, или ярусах, - почвенного покрова и древесного полога.
Исследования фрагментации почвенного покрова по категориям земель показали, что ее степень в целом зависит от расчлененности рельефа, но широко варьирует в пределах моногенетической группы ландшафтов (рис. 8).
Чем более плоский рельеф ландшафтов, тем протяженнее максимальные значения фрагментов заболоченных и болотных земель по сравнению с незаболоченными лесными,
о
забаве
•ГВСНбОП
огкрбоп.
3 - Ао; 4 - А1; 5 - Аг; 6 - В; 7 - в; 8 - С; 9 - АгИ; 10-А2Ьд; 11 - (А2В)Ьд;12 - ВИ; 13 - В!; 14- В^; 15-А0Т; 16-ТьТ2
Рис. 7. Контактная зона (окрайка) леса и болота:
I - план закартированных растительных группировок, II - почвенный разрез; господствующие виды мхов: 1 - кукушкин лен, 2 - сфагнумы; почвенные горизонты: 3 - лесная подстилка, 4 - гумусовый, 5 - элювиальный (подзолистый), 6 - иллювиальный, 7 - глеевый, 8 - материнская порода (морена), 9 - элювиально-гумусовый, 10 - элювиально-гумусово-глеевый, 11 - элювиально-иллювиальный гумусово-глеевый, 12 - иллювиально-гумусовый, 13 - иллювиально-железистый, 14 - иллювиально-железисто-гумусовый, 15 - оторфованная лесная подстилка, 16 - торф
я
X ю о
£ I
га о Я- о-
-& с
о со
2 3 4
группы типов ландшафтов
Рис. 8. Среднее количество фрагментов переувлажненных категорий земель на 10 км протяженности профиля в морфогенетических группах ландшафтов Карелии:
1 - равнины озерно-ледниковые и морские, 2 - холмисто-грядовые и холмистые водно-ледниковые, 3 - холмисто-грядовые денудационно-тектонические слабо расчлененные, 4 - холмисто-грядовые денудационно-тектонические сильно расчлененные
тогда как протяженность лесных земель достигает максимальных значений в водно-леднико-вых и денудационно-тектонических ландшафтах с сильно расчлененным рельефом. Естественно, что в целом лесной покров фрагменти-рован гораздо слабее по сравнению с почвенным.
Устойчивость лесного таежного покрова обеспечивается саморегуляцией лесных экосистем в соответствующих зонально-климати-ческих условиях, одними из важнейших элементов которой являются почвенный покров и буферные зоны, в данном случае - лесобо-лотные, а также флуктуации климата, определяющие нелинейную динамику лесо- и болото-образовательного процессов.
Разнообразие заболоченных
лесов и болот в ландшафтах Карелии
Заболоченность служит важным фактором разнообразия местообитаний за счет формирования широкого спектра комбинаций экологических условий на переувлажненных почвах. В этой связи проведен анализ разнообразия местообитаний по категориям переувлажненных земель:
- лесных заболоченных и болотных по группам типов леса;
- открытых болот по типам их водно-мине-рального питания.
Это позволило дифференцированно оценить как распространение переувлажненных местообитаний по подзонам тайги республики, так и ресурсы их биологического разнообразия.
Выявлено, что спектр групп типов заболоченных лесов и лесных болот в среднетаежной подзоне гораздо разнообразнее, чем на севере Карелии. В то же время в любом из исследованных типов ландшафта сравнительно богатые в отношении разнообразия растительности заболоченные или болотные местообитания распространены, как правило, не более чем на 10% территории.
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ ЗАБОЛОЧЕННОСТИ
Полученные эмпирические данные позволили охарактеризовать структурные особенности заболоченности под влиянием ведущих экологических факторов и влияние заболоченности на формирование экосистем тайги. Рассмотрим ряд теоретических аспектов.
Методика ландшафтно-
экологических исследований на ландшафтном уровне организации экосистем
Тип ландшафта обладает генетическим единством территории и структурно-динами-
ческих характеристик. Наибольшее внимание нами было уделено разработке методики количественной оценки темпов болотообразова-тельного процесса и его прогнозированию.
Основные методические подходы:
- стандартные методы исследования на ландшафтных профилях;
- количественное моделирование процесса заболачивания;
- дистанционный мониторинг.
Главной составляющей горизонтального роста болот является вертикальный прирост торфа. Процесс торфообразования очень длительный. Чем моложе болотные отложения, тем они толще. Таким образом, прямое измерение горизонтального роста болот часто показывает исключительно высокие его темпы.
Потенциальную скорость заболачивания в результате горизонтального роста болот в пределах крупных природных территорий следует определять исходя из наиболее стабильных значений, к которым относятся:
- скорость вертикального прироста торфа и
- среднее взвешенное значение уклонов поверхности незаболоченных (минеральных) земель в типе ландшафта.
Таким образом, формула расчета горизонтального роста болот имеет следующий вид:
1 = (1) где I. - линейная (потенциальная) скорость горизонтального роста болот, м/год; А> - средний за период голоцена вертикальный прирост торфа, м/год; / - среднее взвешенное значение уклона поверхности, выраженное через ¿д а; ? -время, лет.
Расчеты площадных значений горизонтального роста болот потребовали введения дополнительных морфометрических характеристик болотных массивов и систем в типах и группах ландшафтов. К этим характеристикам относятся: 8ср.б. - средняя площадь болотного массива (системы), га;
п - количество болотных массивов (систем) со средней площадью в ландшафтном контуре;
е - коэффициент вытянутости болота (эксцентриситет), который определяется отношением его ширины к длине:
е = Ь/а, (2)
где а - средняя длина болота (м), измеряемая на карте; Ь - средняя ширина болота (м), измеряемая по карте; /а - средний минимальный по оси «а» уклон поверхности, определяемый по формуле:
Iа = ¡ь • е, (3)
при известном значении /'ь для типов и групп ландшафтов, которое определено непосредственными расчетами по данным тахеометрической съемки ландшафтных профилей.
Формула расчета площади заболачивания за счет экспансии болот в типах и морфогене-тических группах ландшафтов имеет следующий вид:
В=№+2Ш(Ь + 2Шт (4)
Дистанционный мониторинг динамики заболоченности основывается прежде всего на сравнении аэрофотоснимков разных лет.
Количественное моделирование и прогнозирование процесса заболачивания
На основе предложенного нами метода расчета горизонтального роста болот построена графическая модель, которая отражает особенности этого процесса в зависимости от морфогенеза ландшафтов [10] (рис. 9).
Максимальные темпы роста площади идеального болота свойственны ландшафтам плоских озерно-ледниковых равнин - 40 м/тыс. лет и более и слабо расчлененным денудационно-тектоническим ландшафтам - около 30 м/тыс. лет; минимальные - сельговым, скальным и водно-ледниковым холмисто-грядовым ландшафтам - менее 10 м/тыс. лет.
Если принять скорость горизонтального роста болота в озерно-ледниковых равнинах за 100%, то рост в ландшафтах со слабо расчлененным рельефом составит 50%, а с сильно расчлененной поверхностью - около 5% от этой величины.
Возможности применения ландшафтно-ти-пологической методологии и отработанных нами методов моделирования прогноза изменения заболоченности и влияния этого процесса на сток можно продемонстрировать на примере карельской части бассейна Онежского озера (рис. 10, табл. 4).
Этот прогноз может быть использован для расчета изменения водного баланса.
В настоящее время имеются данные об изменении годового стока в среднем на 0,4-0,5 мм при заболачивании водосбора на 1 % [ 1,18].
Расчеты показывают, что из-за естественного заболачивания без проведения мелиорации годовой сток в Онежское озеро через 1 тыс. лет должен сократиться на 0,015 кмЗ, что составля-
Таблица 4. Прогноз увеличения заболоченности за счет экспансии болот в морфогенетических группах ландшафтов бассейна Онежского озера
Группа ландшафтов
Рост заболоченности через 1 тыс. лет
тыс. га
м2/год на 1 тыс. га
Равнины плоские 8,6 1.7 170
Равнины сложного рельефа 1,9 0,7 70
Денудационно-тектонические
слабо расчлененные 1,4 0,9 90
Денудационно-тектонические
сильно расчлененные 0,9 0,3 30
Водно - ледн и ковые 2,3 0,5 50
Всего 15,1
ет только 0,1 % от всех вод, поступающих в него с водосбора в границах Карелии. Это гораздо меньше ежегодных колебаний притока. Таким образом, при прочих равных условиях сток практически не изменится.
Практическое значение ландшафтно-экологических исследований структуры и динамики заболоченности
Практическое значение этих исследований заключается в оптимизации использования переувлажненных земель. Под оптимизацией следует понимать комплекс мелиоративных мероприятий по предотвращению или минимизации заболачивания лесов, повышению продуктивности древостоев и охрану болот как важных структурных компонентов таежных ландшафтов.
Рассмотрим пример возможного использования данных в практике гидролесомелиоративного планирования и охраны болот применительно к среднетаежной подзоне Карелии.
Экологически обоснованная оптимизация лесоосушения построена на следующих главных характеристиках ландшафта:
- степени заболоченности,
- соотношении категорий переувлажненных земель,
Рис. 9. Модель роста простого болотного массива круглой формы в условиях различных морфогенетических групп и подгрупп ландшафтов Восточной Фенноскандии в после-ледниковье и в перспективе через 1000 лет:
периоды и фазы голоцена (по: [8]): ВО,.2 - нижний и верхний бореаль-ный, АТ12 - нижний и верхний атлантический, БВ - суббореальный, БА^г - нижний и верхний субатлантический
1
Рис. 10. Ландшафтное районирование карельской части водосбора Онежского озера по увеличению степени заболоченности через 1000 лет, %:
1-до 0,5; 2-0,5-1,0; 3-1,0-1,5; 4-1,5-2,0; 5 - более 2
- потенциальной скорости горизонтального роста болот.
Эти признаки представлены в виде матрицы, позволившей интегрировать количественные показатели и выделить группы ландшафтов, отличающиеся объемами проведения в них лесоосушения (рис. 11).
Общая степень заболоченности, %
Итогом работы является карта районирования экологически целесообразной степени лесоосушения на ландшафтной основе. Исходя из параметров болотного процесса и экологической роли болот, проведение лесоосушения в первой группе ландшафтов нецелесообразно или может носить выборочный характер
Доля заболоченных Линейная скорость земель от заболачивания,
общей забол., % м/тыс. лет
20 40 60 80 10 30 50 70< 10 20 30 40 <
Рис. 11. Матрица параметров структурно-динамических признаков заболоченности и заболачивания в типах ландшафтов и их группировка по экологически целесообразной степени вовлечения переувлажненных земель в осушение
II
III
II
I
II
I
I II III IV
I II III IV V
класс частоты
I II III IV V
(5-6% площади ландшафта). Во вторую группу вошли ландшафты, где можно осушать до 15% площади ландшафта. В третьей группе возможно осушение от 30 до 60% их территории. Приоритет должен отдаваться профилактике заболачивания.
Определение экологически целесообразной степени лесоосушения одновременно обосновывает и охрану болот посредством исключения их из планов мелиорации. Таким образом, болота сохраняются в сложившейся структуре экосистем ландшафтов. Кроме большого экологического значения в природе тайги, ряд болот подлежит охране вследствие тех или иных особенностей, представляющих интерес для человека - познавательный, рекреационный и т. п.
Выводы
1. Структура и динамика заболоченности территории (включая потенциальную скорость, энергию заболачивания и направленность развития лесо- и болотообразовательного процессов) определяются преимущественно мор-фогенетическими особенностями ландшафтов. Подзональные отличия заболоченности тайги в Карелии проявляются в более сильном развитии болотообразования в северотаежной подзоне. Это отражается здесь в большей потенциальной энергии процесса, степени заболоченности, преобладании открытых и слабо-облесенных болот над заболоченными лесами. Выявлена уникальная роль ландшафтов дену-дационно-тектонического генезиса в развитии заболачивания Карелии. Наряду с ландшафт-но-экологическими условиями, важную роль во взаимоотношении между древесной и травяно-моховой формациями играют флуктуации климата.
2. Структура гидрографической сети, водораздельных и водосборных пространств и зо-нально-кпиматические условия в пределах моногенетических групп и типов ландшафтов имеют исключительно слабое или селективное влияние на их заболоченность.
3. Заболоченность и процесс заболачивания в таежной зоне выступают в качестве важнейшего природного явления, обусловливающего трансформацию, фрагментацию и разнообразие экосистем.
4. Предложенная методика косвенных расчетов потенциальной скорости заболачивания за счет горизонтального роста болот и модель этого процесса в настоящее время являются наиболее приемлемыми для оценки его влияния на развитие таежных экосистем и принятия управленческих решений в области использования биологических ресурсов и охраны природы.
5. Процесс заболачивания не влияет коренным образом на гидрологические характеристики ландшафтов и водосборов в целом.
6. Поступательное развитие заболачивания таежных лесов необходимо сдерживать путем создания искусственных дренажных систем. Применение данного мероприятия должно лимитироваться такими важнейшими показателями, как степень, темпы и характер заболоченности ландшафтов, а объекты - их потенциальной продуктивностью или экологической целесообразностью.
Литература
1. Булавко А. Г., Маслов Б. С. Водорегулирующее значение болот и последствия их осушения // Гидротехника и мелиорация. 1982. № 8. С. 53-56.
2. ВолковА. Д. Современные исследования географических ландшафтов в Карельской АССР. Петрозаводск, 1986. 37 с.
3. Волков А. Д., Громцев А. Н., Еруков Г. В. и др. Экосистемы ландшафтов запада средней тайги (структура, динамика). Петрозаводск, 1990. 284 с.
4. Волков А. Д., Громцев А. Н., Еруков Г. В. и др. Экосистемы ландшафтов запада северной тайги (структура, динамика). Петрозаводск, 1995. 194 с.
5. Вомперский С. Э., Глухова А. И. Геоморфологическое положение болотных лесов и безлесных болот различного генезиса // Биогеоценологиче-ское изучение болотных лесов в связи с опытной мелиорацией. М., 1982. С. 50-56.
6. Галкина Е. А. Болотные ландшафты и принципы их классификации // Сб. науч. тр. Ботан. ин-та АН СССР, выполненных в Ленинграде за 3 года Великой Отечественной войны (1941-1943 гг.). М.; Л., 1946. С. 139-156.
7. Дубах А. Д. Очерки по гидрологии болот. Л., 1936. 118с.
8. Епина Г. А. Принципы и методы реконструкции и картирования растительности голоцена. Л., 1981. 159 с.
9. Елпатьевский Н. М. Нарастание сфагновых болот в высоту и его лесоводственное значение // Повышение производительности лесных земель посредством осушительной мелиорации. Л., 1936. С. 53-73.
10. Коломыцев В. А. Моделирование процесса заболачивания в лесных ландшафтах среднетаеж-ной подзоны Карелии // География и природные ресурсы. 1986. № 1. С. 66-71.
11. Коломыцев В. А. Болотообразовательный процесс в среднетаежных ландшафтах Восточной Фенноскандии. Петрозаводск, 1993. 172 с.
12. Коломыцев В. А. Болотный фонд // Экологическая ситуация в Карелии. Петрозаводск, 1993. С. 35-45.
13. Коломыцев В. А. Географические особенности структуры и динамики заболоченности Восточной Фенноскандии. Петрозаводск, 2001. 184 с.
14. Медведева В. М. Формирование лесов на осушенных землях среднетаежной подзоны Карелии. Петрозаводск, 1980. 168 с.
15. Пьявченко Н. И., Коломыцев В. А. Влияние осушительной мелиорации на лесные ландшафты Карелии // Болотно-лесные системы Карелии и их динамика. Л., 1980. С. 52-77.
16. Пьявченко Н. И., Сабо Е. Д. Основы гидролесомелиорации. М., 1962. 382 с.
17. Пятецкий Г. Е., Медведева В. М. Лесоосуше-ние - путь умножения лесных богатств. Петрозаводск, 1967. 116 с.
18. Рахманов В. В. Влияние лесистости, заболоченности и других факторов на годовой сток рек Белоруссии и Верхнего Приднепровья // Тр. Гидрометеоролог. науч.-исслед. центра СССР. 1974. Вып. 38. С. 56-67.
19. Романов А. А. О климате Карелии. Петрозаводск, 1961. 140 с.
20. Саковец В. И., Германова Н. И., Матюшкин В. А. Экологические аспекты гидролесомелиорации в Карелии. Петрозаводск, 2000. 152 с.
21. Чупров Н. П, Тараканов А. М. Методические рекомендации по экономической оценке лесохо-зяйственных мероприятий. Архангельский ИЛЛХ. Архангельск, 1980. 48 с.
22. Korhola A. Mire induction, ecosystem dynamics and lateral extension on raised bogs in the southern coastal area of Finland // Fennia 170: 2. Helsinki, 1992. P. 25-94.
23. Lukkala O. J. Tapahtuuko nykysin metsamaan sois-tumista // Metsatieteelisen tutkimuslaitoksen julka-isuja. 1934. N 19, 1. S. 6-99.
