Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Основные природные факторы развития современных и прошлых экосистем 10
1.1.1 Экологические особенности эволюции палеоландшафтов Среднего течения реки Енисей в голоцене 10
1.1.2. Эколого-географические условия поймы Среднего течения реки Енисей . 15
1.2. Палеопочва как составная часть палеоэкосистемы 38
ГЛАВА 2. РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБЪЕКТЫ, СТРАТИГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ, МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОЙМЕННЫХ ПАЛЕОЭКОСИСТЕМ 49
2.1. Характеристика опорных разрезов и стратиграфическое положение палеопочв, как реперов эволюции природной среды 52
2.1.1.Район исследования- остров Татышева 55
2.1.2.Предивинский район исследования 67
2.2. Методы и методика исследования 74
2.3. Возрастные характеристики палеопочв в геологических разрезах пойменных отложений 76
ГЛАВА 3. МОРФОЛОГО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОГРЕБЕННЫХ ПОЧВ, ОСТАТКОВ ФЛОРЫ И ФАУНЫ ПОЙМЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ СРЕДНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ ЕНИСЕЙ 77
3.1. Морфолого-аналитическая характеристика погребенных почв 77
3.1.1. Татышевский педокомплекс 78
3.1.2. Предивинский педокомплекс 96
3.2. Остатки флоры и фауны в осадочных отложениях геологических разрезов 102.
ГЛАВА 4. ПАЛЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ ЭКОСИСТЕМ ПОЙМЫ СРЕДНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ ЕНИСЕЙ В ГОЛОЦЕНЕ 105
ВЫВОДЫ 124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 125
ПРИЛОЖЕНИЕ 143
- Экологические особенности эволюции палеоландшафтов Среднего течения реки Енисей в голоцене
- Характеристика опорных разрезов и стратиграфическое положение палеопочв, как реперов эволюции природной среды
- Татышевский педокомплекс
Введение к работе
Актуальность темы. Прогнозировать развитие природных комплексов невозможно без изучения закономерностей изменения их во времени и в пространстве. В голоцене - современном межледниковье -происходили природные процессы, оказавшие наибольшее влияние на современную природную обстановку.
Экологическая система любого ранга состоит из компонентов
природной среды: растительности, животного мира, почв, рельефа,
внутренних вод, климата, деятельности человека и др. Все компоненты
находятся во взаимодействии и взаимообусловленности в каждый
временной период. Каждый компонент экосистемы играет в ней
неповторимую роль. Палеопочвы и палеопедокомплексы
рассматриваются как репер в состоянии экосистемы. С помощью ретроспективного анализа факторов почвообразования и свойств палеопочв возможна реконструкция палеоэкологической обстановки прошлых геологических периодов Земли.
Экологический мониторинг позволяет наблюдать за эволюцией пойменных экосистем в голоценовое время. Проведение мониторинга по основным блок-компонентам экосистем (почва, растения, животные, вода,, рельеф, климат и деятельность человека) имеет определенные особенности.
Палеопедологический метод исследования, изучающий палеопочвы и палеопедокомплексы, позволяет исследовать характер и направленность процессов почвообразования в пространствено-временном аспекте. При проведении этих исследований, возможно, получать и уточнять представления об эволюции природной среды за длительный период развития; решать вопросы формирования и генезиса современных почв; выполнять различные палеоэкологические реконструкции; дополнять и коррелировать данные других методов исследования и т.д.
Изучение природных компонентов палеоэкосистем в Сибирском
регионе находится пока на первоначальном этапе и сбор новых фактических данных в различных регионах имеет большую научную значимость на современном этапе развития науки.
Пойменные экосистемы долины реки Енисей, эволюционирующие в голоцене, содержат комплекс информации о природной среде и служат основой модели для межледниковья. Реконструкция эволюции палеоэкосистем в голоцене способствует глобального изменения климата.
Цель работы:
Основная цель исследования - анализ эволюции пойменных экосистем в долине Среднего течения реки Енисей на основе изучения свойств палеопочв и биоклиматических данных в голоцене.
Основные задачи: 1.Комплексно изучить биоклиматические факторы природной среды в голоцене на примере пойменных экосистем долины Среднего течения реки Енисей;
2. Изучить морфологическое строение геологических разрезов поймы среднего течения реки Енисей с вмещающими генетическими горизонтами палеопочв и выделить закономерности развития процессов почвообразования в голоцене.
З.На основе изучения пойменных экосистем в голоцене провести палеоэкологические реконструкции природной обстановки в долине Среднего течения реки Енисей.
Научная новизна. Впервые комплексно изучены пойменные
экосистемы долины Среднего течения реки Енисей. Реконструкция
пойменных экосистем основана на комплексных палеоэкологических
исследованиях почв, растительности, фауны, погребенных в
четвертичных отложениях поймы долины Среднего течения реки
Енисей. Палеопедологические исследования погребенных почв
голоценового времени позволили получить обширный материал по
свойствам палеопочв, использованный для реконструкций условий их
развития. Этот пионерный материал способствует решению
палеоэкологических вопросов ретроспективного анализа эволюции пойменных экосистем..
Практическая значимость работы; Полученные результаты; и использование материалов' базы данных (Демиденко, 1996, 2002) позволило впервые реконструировать, эволюцию палеоэкосистем в^ голоценовое межледниковье в долине среднего течения реки Енисей:
Полученный материал, может быть использован различными; специалистами для решения, палеоэкологических вопросов, учитывая палеопочвы как реперы в состоянии1 палеоэкосистемы.
Реконструированная схема эволюции экосистем в голоценовое
межледниковье послужит основой для решения: вопросов
моделирования^ природной- среды в» разновременные периоды развития:
Земли* ..';''.
Палеоэкологические исследования; пойменных экосистем' долины Среднего течения? реки Енисей помогут решению» вопросов глобального изменения климатачна Земле.
Практические рекомендации: 1.Способствуют решению вопросов эволюции* пойменных экосистем Приенисейской Сибири (Среднее течение реки Енисей) и реконструкции почвенного покрова в этом регионе в голоцене. Материалы исследования переданы на кафедры агроэкологии и природопользования и геоэкологии Института агроэкологического менеджмента ФГОУ ВПО «Красноярский государственный университет» и в лабораторию геоэкологии ФГОУ ВПО! «Красноярский государственный педагогический университет им..В.П.Астафьева».
2.Схема реконструкции пойменных экосистем Среднего течения реки Енисей в голоцене использована в процессе обучения студентов и. магистров в курсе «Экология» в ФГОУ ВПО1 «Красноярский
. ' :". . ' . .' ' - '.'. . . 6
государственный педагогический университет им. В.П.Астафьева».
Защищаемые положения:
1. Пойменные экосистемы являются типичным объектом при решении вопросов эволюции природной среды во времени и в пространстве. В пойменных экосистемах долины среднего Енисея Красноярской флуктуация почвенно-растительных зон происходила в диапазоне: криаридные степи - леса - луговые степи - лесостепь (южная тайга).
2. В осадочных отложениях островной фации пойменных экосистем
климатический оптимум голоцена в среднем течении реки Енисей
выражен в конце бореального начале атлантического временного
периода. В это время наблюдается сочетание травянисто
кустарниковой растительности с лиственными и хвойными лесами, как
следствие оптимального соотношение теплообеспеченности и
увлажненности.
3. Палеопочвы и палеоседименты эволюционировали при
взаимодействии всех компонентов в палеоэкосистеме.
Апробация работы. Результаты исследования, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных и научно-методических конференциях разного уровня: научная конференция «География на службе науки, практики и образования» (Красноярск, 2001); intern, conf. «Eurosoil» (Freiburg, Germany,2004); научно-методическая конференция « Повышение роли университетов в развитии регионов» (Красноярск, 2005); intern, conf. " Soil conservation issues in Nordic counries" (Tartu, Estonia, 2005); научно-методическая конференция «Аграрная наука - взгляд в будущее» (Красноярск,2008); всероссийская очно-заочная практическая и научно-методическая конференция с международным участием « Инновации в науке и образовании» (Красноярск, 2008).
Материалы, положенные в основу диссертации изложены в девяти
опубликованных работах (две из которых на английском языке), в том числе две статьи в ж. «Вестник Крас ГАУ».
Структура диссертации. Диссертация представляет собой рукопись объемом 147 страниц машинописного текста, включая 11 таблиц, 26 рисунков. Состоит из введения, 4 глав, выводов, 201 используемого литературного источника, из них 22 на английском языке и приложения
Личный вклад автора. В основу работы положены материалы,
которые были собраны автором за период с 1999 по 2008гг, в том числе
за время обучения в аспирантуре с 1999 по 2003 гг по специальности -
экология. Полевой материал для исследования был проанализирован
авторам по разработанной им же программе выбора объектов
исследования и обработке полученного материала. Аналитические
исследования выполнены автором в научно-исследовательской
лаборатории кафедры Агроэкологии и природопользования ФГОУ ВПО
«Красноярский государственный аграрный университет» и научно-
исследовательской лаборатории Геоэкологии ФГОУ ВПО
«Красноярский государственный педагогический университет им
В.П.Астафьева». Программа исследования одобрена на совместном
заседании кафедр физической географии и безопосности
жизнедеятельности и адаптивной физической культуры ФГОУ ВПО
«КГПУ им. В.П.Астафьева» и утверждена Советом географического
факультета ФГОУ ВПО «Красноярский государственный
педагогический университет им. В.П.Астафьева». Автору принадлежат
решение всех поставленных задач, обобщение результатов, обоснование
научных выводов.
Благодарности. Автор глубоко признателен научному руководителю д.б.н., профессору Г.А. Демиденко за творческую направленность и оказанную помощь на всех этапах исследования. Благодарит к.м.н, профессора Я.Я. Мейнгота за постоянный интерес к
работе и ценные советы. Автор считает приятным долгом
поблагодарить сотрудников кафедры безопасности жизнедеятельности и
адаптивной физической культуры ФГОУ ВПО «Красноярский
государственный педагогический университет им. В.П.Астафьева»,
кафедры агроэкологии и природопользования ФГОУ ВПО
«Красноярский государственный аграрный университет» за
консультативную помощь по вопросам эволюции почв, экологии, палеоэкологии при получении и обобщении материалов исследования. Благодарит к.б. н., доцента Д.Ф. Жирнову за определение состава пойменных растительных сообществ; к.б.н., палеонтолога Д.Н. Оводова за определение костных остатков животных. Выражает благодарность зав. лаборатории геоэкологии «ФГОУ ВПО КрасГАУ» Ф.Ф. Сырыгиной за консультации при проведении физико-химических исследований.
Экологические особенности эволюции палеоландшафтов Среднего течения реки Енисей в голоцене
Реконструкция экосистем любого ранга невозможна без познания факторов и процессов почвообразования во времени. Изучение закономерностей развития растительного и почвенного покрова с прошлого до настоящего времени является основной выявления основных черт современного почвенно-растительного покрова и прогнозирования его будущего направления.
Представления о главных этапах развития природы голоцена существуют в результате геологических, палеогеографических и палеоэкологических исследований в Сибири (Герасимов и др., 1939; Нейштандт, 1965, 1971, 1976; Лазуков, 1965; Марков и др., 1965; Архипов, 1971; Зубаков, 1972; Кинд, 1974; Вдовин, 1976; Хотинский, 1977; Волков, 1980; Волков, 1980; Ямских, 1993; Ямских, 1995,2004; Дроздов, Чеха, и др. 2000; 2005; Дроздов, Чеха, 2000; Чеха, Андреенко и др., 2000; Демиденко1999, 2000, 2002, 2008; Демиденко, Аникиенко, 2005; Демиденко, Котенева, 2008; Лаухин, 2007; Чеха, 2007; Ямских, 2006; и др.). Сложные колебания биоклиматической обстановки в позднем плейстоцене и голоцене в Сибири (рис.1) определили флуктуацию почвенно-растительных зон во времени и в пространстве, полицикличность почвообразования и особенности эволюции экосистем разных гипсометрических уровней территории.
После сартанского похолодания наступило потепление, которое ознаменовало начало голоцена. Рис 1.
Голоцен - это современное потепление, длительность которого 10-12 тыс. лет (рис.2). Тундростепи и тундролесье вскоре сменилось лесными ландшафтами березово-сосновых и березово-еловых лесов (Кинд, 1974; Хотинский, 1977 и др.) и уже в бореальном и в начале атлантического периода голоцена, можно полагать, что почвообразование шло под лесными формациями (Хотинский,1977) - березово-сосновыми и березово-еловыми лесами по пути, формирования текстурно-дифференцированных почв подзолистого ряда.
К раннему голоцену относят возраст ленточных боров (Гаеель, 1964; Добровольский, 1989, 2001)
В Приенисейской Сибири подзолистый процесс проявился особенно ярко. Палеогеографическое расположение почвенно-растительных зон и подзон к началу атлантического этапа было, видимо, как в современное время (Глебов, 1988; Корсунов, Ведрова и др., 1988).
В среднем голоцене (оптимум потепления) - сдвиг к северу природных зон (на 350-400км). Активизировался степной и лесостепной почвообразовательные процессы. В границах современной степи, лесостепи и южной тайги сформировались "черноземовидные" почвы.
После климатического оптимума похолодало. В позднем голоцене (субатлантический период) определено смещение зон в пределах современных границ.
В работах Н.И. Пьявченко, Л.С. Толейко (1967), Н.И. Пьявченко (1965, 1966) приводится анализ спорово-пыльцевых диаграмм двух разрезов торфяников, расположенных на севере и юге лесостепной зоны долины р. Енисей. Авторы отмечают в развитии растительного покрова в послеледниковое время четыре фазы. В первую господствовали: на севере -подтайга (осиново - березовая), на юге - лесостепные ландшафты. Во вторую -сухая березовая лесостепь с лиственницей и с небольшим участием темнохвойных пород. В третью происходило формирование близких с современными лесостепных ландшафтов. Четвертая фаза - облик современного растительного покрова. Климат в первую и вторую фазы был теплее современного, а в третью и четвертую - тождественен ему. К такому выводу в своих исследованиях пришел Ф.З. Глебов (1978), изучая эволюцию болот средней тайги левобережья Енисея.
В результате, палеокарпологического материала, данных палинологии и геохронологии для каждой ландшафтно-географической зоны Приенисейской Сибири В.Л. Кошкаровой выделяются четыре наиболее существенных этапа в развитии растительного покрова в голоценовое время, не считая современного. Эти смены были вызваны двумя значительными потеплениями климата: в конце бореального и во второй половине атлантического периодов. В промежутке между ними наступило незначительное похолодание и увеличение влажности. Теплее и суше климат был в периоды 8 300-8000, 5 000- 6 000 и около 3 200 лет назад (Кошкарова,1983, 1986).
Анализ смены биоклиматической обстановки в голоцене, установленные палеогеографическими, палинологическими и палеокарпологическими исследованиями (Нейштандт, 1971, 1977; Нащокин, 1965; Пьявченко, 1965, 1966; Пьявченко, Толейко, 1967; Глебов и др., 1974; Караваева, 1982; Гаджиев, 1980; Кошкарова, 1981, 1983, 1986; Воробьева, 1974; Глебов, 1988; Корсунов и др., 1988: Демиденко, 1997, 2002, 2008; Ямских, 2006; и др.), можно полагать, что в голоцене существовал широкий спектр типов почвообразования - от" тундрового до степного. На территории современной южной тайги, лесостепи в голоцене возможно формирование почв таежного, лесостепного и степного почвообразования. Длительность и периодичность по времени различных сочетаний фаз этих процессов на каждой территории были различными. На территории современной южной части южно-таежной подзоны и Красноярской лесостепи биоклиматическая обстановка значительно "пульсировала" в течение голоцена, поэтому почвообразование - полицикличное.
Характеристика опорных разрезов и стратиграфическое положение палеопочв, как реперов эволюции природной среды
В палеопочвах законсервированы и надолго сохранены продукты почвообразования и следы жизнедеятельности растений, животных и человека. Погребенные почвы содержат наиболее полный комплекс диагностических признаков, по которым возможно достаточно достоверно реконструировать природную (биоклиматическую и почвообразование) обстановку.
Погребенными (палеопочвы, ископаемые, древние) почвами (Герасимов, 1961; Морозов, 1961; Энциклопедический словарь, 1968; Чалышев, 1978; Палеогеографический словарь, 1985; и др.) считаются почвы, не участвующие в современном почвообразовательном процессе. Они погребены осадочными толщами разного генезиса. Погребенные почвы сохраняют ряд черт своего первоначального характера, что позволяет судить о ландшафте времени их образования. Особенно часто погребенные почвы встречаются в пойменных отложениях долин рек.
Наличие и сохранность палеопочвенных структур зависит от ряда факторов: условий формирования палеопочв (полнопрофилные палеопочвы развивались в климатических условиях, приближенных к современным); времени формирования (в более продолжительные периоды времени формировались почвы; в менее короткое время — педоседименты).
Палеопочвы, сформированные в межледниковые периоды, называются межледниковыми. Палеопочвы, сформированные в разновременные периоды одного геохронологического этапа - межстадиальными. (Борзенкова, Зубаков, 1984).
Палеопедокомплексы в пойменных отложениях можно назвать «молодыми», так как они сформировались в профиле отложений на небольшой глубине и в относительно недалекое время (10 — 12 тыс. лет). Они погребены сносами мелкозема водных потоков, но роль ветровой дефляции (эоловых процессов) так же присутствует.
Изучение палеопочвенных образований требует знания генезиса четвертичных отложений. Характер климатических событий восстанавливается по фациальному облику осадков (буквально по их «лицу») (Зубаков, 1986).
Погребенные почвенные системы голоценового периода морфологически четко представлены на низких гипсометрических уровнях: уровни поймы и низких надпойменных террас. Голоценовые палеопочвы могут приближаться к современной поверхности или находится глубоко от нее. Их изучение является более объективным, так как объем палеоэкологической информации возрастает с приближением к современности.
В почве консервируются и долго сохраняются продукты почвообразования и жизнедеятельности растений, животных, а также следы деятельности человека. Наиболее удачными на наш взгляд объектами для палеоэкологических реконструкций являются пойменные отложения с горизонтами погребенных почв. Погребенные почвы содержат наиболее полный комплекс диагностических признаков, по которым возможно достаточно достоверно реконструировать природную (биоклиматическую и почвообразование) обстановку.
Погребенные почвенные системы голоценового периода морфологически четко представлены на низких гипсометрических уровнях: уровни поймы и низких надпойменных террас. Голоценовые палеопочвы могут приближаться к современной поверхности или находится глубоко от нее. Их изучение является более объективным, так как объем палеоэкологической информации возрастает с приближением к современности.
В почве консервируются и долго сохраняются продукты почвообразования и жизнедеятельности растений, животных, а также следы деятельности человека. Наиболее удачными на наш взгляд объектами для палеоэкологических реконструкций являются пойменные отложения с горизонтами погребенных почв. Погребенные почвы содержат наиболее полный комплекс диагностических признаков, по которым возможно достаточно достоверно реконструировать природную (биоклиматическую и почвообразование) обстановку.
Татышевский педокомплекс
Татышевский педокомплекс (Геологический разрез 4) представлен восмью погребенными почвами разной степени сохранности. Табл.2,4,8,10. Рис. 16,18,20,21.
Морфологическое описание первой почвы соответствует черноземовидному типу, что подтверждается ее физико-химической характеристикой. По гранулометрическому составу (табл. 8; рис.16), выделенная почва, отличается от вышележащей толщи четкой дифференциацией от суглинистого в гор. Ahl до супесчаного в гор. BChl. Максимальная аккумуляция частиц физической глины, главным образом ила, характерна для гор. Ahl. Минеральная часть по всему почвенному профилю имеет одинаковый химический состав. Почва характеризуется слабощелочной реакцией среды, заметно меньшим, чем в вышележащем слое толще, содержанием СаС03 (табл.10; рис. 19)
Валовый химический состав показывает вторичное перераспределение химических элементов по четвертичным отложениям в разрезе (табл.2). Распределение гумуса (табл.3) в гор. Ahl, оставаясь низким (1.22%), немного превышает его накопление в верхнем слое почвы, Органическое вещество аккумулятивного горизонта характеризуется высокой степенью гумификации и относится к фульватно-гуматному типу. Гуминовые кислоты доминируют над фульвокислотами. В составе гуминовых кислот преобладают гуматы кальция при очень низком содержании карбонатов свободных и прочно связанных с мелкоземом. В отличие от вышележащей толщи, в органическом веществе аккумулятивного горизонта погребенной почвы низкое содержание негидролизуемого остатка, что свойственно почвам черноземного типа. Высокая опесчаненность этого горизонта, по сравнению с нижележащим, является следствием пойменных и эоловых процессов характерных в суббореальный период голоцена. Первая палеопочва этого разреза относится к черноземной почве.
Первый горизонт второй палеопочвы (ABh2) отличается от гор. АЫ вышележащей погребенной почвы по литологии. Содержание частиц физической глины в нем составляет 10,8% (в первой почве — 9.4%).
В разрезе 1 (Демиденко, 1996,2002) в коррелирующей палеопочве были проведены микроморфологические исследования. В шлифах генетический горизонт ABh2 имеет черновато-бурую окраску, неоднородное микростроение, компактное сложение. Глинистый материал разной степени агрегированности (от круглых агрегатов неправильной формы до изометрических агрегатов). Биопоры заполнены экскрементами животных. Глинистая плазма анизотропная, в интенсивно гумусовых участках — изотропная. Гумус скоагулирован в бурые сгустки и пленки. Присутствуют органические остатки растительного происхождения со слабым клеточным строением.
По химическому составу минеральной части и распределению основных элементов вторая погребенная почва не отличается от первой. Она также имеет слабощелочную реакцию почвенной среды. Обращает на себя внимание увеличение подвижного железа в гор. Ch2 на фоне отсутствия перераспределения алюминия (табл.10; рис. 21). Содержание гумуса аккумулятивного горизонта (табл.3) достигает 1,02 %, резко снижаясь в гор. Ch2 до 0,34%. Органическое вещество характеризуется высокой степенью гумификации и относится к фульватно-гуматному типу. Содержание свободных гуминовых кислот очень низкое. Как и в аккумулятивном горизонте первой погребенной почвы отмечается низкое содержание негидролизуемого остатка. Палеопочва относится к черноземному типу.
Гранулометрический состав третьей погребенной почвы меняется от супеси к суглинку (табл.8; рис. 16). Среди механических фракций преобладают частицы мелкого песка. Валовый химический состав мелкозема идентичен лежащей выше толще (табл.2). Реакция почвенной среды изменяется в слабощелочном интервале (табл.10; рис.18). Аккумулятивный горизонт (Ah3) содержит 2,98 % гумуса, в гор. BCh3 его количество снижается до 0,57% (табл.3). По групповому составу гумус гор. Ah3 относится к фульватно-гуматному типу, а в гор. ВСЬЗ - к гуматно-фульватному типу. Степень гумификации гумуса аккумулятивного горизонта высокая, а подстилающего горизонта может быть охарактеризована как низкая. Хотя время формирования палеопочвы относится к второй половине атлантического периода, генетической принадлежность данной почвы близка к выше описанным. Можно сказать, что это парагенетические ряды. Генетический тип -обыкновенный чернозем со следами луговости.
Четвертая и пятая палеопочвы имеют гумусово-аккумулятивные горизонты суглинистого гранулометрического состава (табл.8; рис.16). Содержание углерода гумуса (%) к почве составляет 0.87 - 0.96 %. По групповому составу гумус относится к фульватно-гуматному типу как в гор. Ah4, так и гор. Ah5 и BCh5 (табл. 3; 10). Степень гумификации гумуса характеризуется как средняя и слабая.
Данные почвы, видимо развивалась в несколько более влажных условиях, на что указывает находки остатков обуглившей растительности (древесной), а также костей лесных животных. Аналогичный спектр был обнаружен в корреляционной почве Няшенского педокомплекса. По данным палеонтолога к.б.н., Н.Д.Оводова, обнаруженные кости относятся к лосю, медведю, косули, то есть представляют лесной комплекс (Демиденко, 2002).
