Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Культурный ландшафт: понятие, социально- экономические функции, эволюционное и инволюционное развитие
1.1. История изучения культурного ландшафта. Основные понятия и термины
1.2. Социально-экономические функции культурных ландшафтов и критерии их оценки
1.3. Эволюционное и инволюционное развитие заброшенных культурных ландшафтов
Глава 2 Изменение физико-географических свойств и социально- экономических функций болот при хозяйственном освоении
2.1. Обеспечивающие функции 22
2.1.1. Ежегодная продукция экосистем 22
2.1.2. Запас органического вещества 23
2.1.3. Водные ресурсы 24
2.2. Регулирующие функции 25
2.2.1. Регулирование уровня грунтовых вод 25
2.2.2. Регулирование качества поверхностных вод 27
2.2.3. Регулирование стока 28
2.2.4. Регулирование климата 28
2.2.5. Регулирование эрозии 29
2.2.6. Регулирование санитарно-эпидемиологической ситуации 29
2.2.7. Устойчивость функционирования 31
2.3. Поддерживающие функции
2.3.1. Биологическое разнообразие 32
2.3.2. Поддержание почвенного плодородия 34
2.3.3. Кислотно-основные условия 36
2.3.4. Депонирование парниковых газов
2.4. Культурные функции 38
2.5. Критерии оценки социально-экономических функций ландшафтов 38
Глава 3 Материалы и методы исследования
3.1. Полевые исследования 41
3.2. Исследование водного режима
3.2.1. Биоиндикационный метод 42
3.2.2. Геофизический метод 43
3.2.3. Дистанционный метод з
3.3. Исследование продуктивности экосистем 47
3.3.1. Дендрохронологический метод 47
3.3.2. Метод укосов 49
3.4. Исследование состояния торфяной массы и плодородия почв 50
3.4.1. Исследование соотношения C/N, C/H 50
3.4.2. Исследование кислотно-основных условий почв
3.5. Исследование качества внутрипочвенных и поверхностных вод 51
3.6. Использованные материалы 52
Глава 4 Физико-географическая характеристика территории исследования
4.1. Геолого-геоморфологическая основа 54
4.2. Климат 58
4.3. Подземные и поверхностные воды 61
4.4. Почвы 63
4.5. Растительность 65
4.6. Ландшафты 68
4.7. Хозяйственное использование 71
Глава 5 Динамика и функционирование вожского мелиорированного ландшафта в последние 50 лет
5.1. Водный режим 74
5.1.1. Динамика влагозапасов в верхнем метре почвы 74
5.1.2. Динамика видового состава луговых фитоценозов как реакция на изменение условий увлажнения
5.1.3. Современные условия увлажнения Вожского мелиорированного ландшафта
5.2. Динамика биологической продуктивности 85
5.2.1. Динамика продуктивности древостоев 85
5.2.2. Динамика продуктивности травяных экосистем 92
5.3. Изменение состояния торфяной массы и плодородия почв 99
5.3.1. Состояние органического вещества почв, индицируемое соотношением C/H
5.3.2. Оценка плодородия почв по соотношению C/N 103
5.3.3. Динамика кислотно-основных свойств почв 106
5.3.4. Динамика видового состава луговых фитоценозов как реакция на изменение богатства почв
5.3.5. Площадь деградированных торфов
5.4. Динамика качества внутрипочвенных и поверхностных вод 115
5.5. Основные выводы по изменению динамики и функционирования Вожского мелиорированного ландшафта
Глава 6 Социально-экономические функции вожского постмелиорированного ландшафта
6.1. Обеспечивающие функции 122
6.2. Регулирующие функции 124
6.3. Поддерживающие функции 126
6.4. Культурные функции 128
6.5. Изменение социально-экономических функций постмелиорированного ландшафта в процессе его саморазвития после прекращения его хозяйственного использования
Заключение 130
Литература 132
- Социально-экономические функции культурных ландшафтов и критерии их оценки
- Регулирование качества поверхностных вод
- Исследование продуктивности экосистем
- Подземные и поверхностные воды
Введение к работе
Актуальность темы. В последние 20 лет сокращение обрабатываемых земель в некоторых регионах России приобретает катастрофический характер. В частности, заброшено около 8,5 млн. га, или 50% общей площади осушительных гидротехнических систем сельскохозяйственного назначения. Ландшафты в зоне их влияния вступили в этап нерегулируемого функционирования и развития. Сценарии дальнейшего формирования и использования постмелиорированных ландшафтов требуют совместного изучения идущих в них физических (эволюционно-динамических) процессов и их социально-экономической целесообразности. Утрата выполняемых социально-экономических функций без компенсации за счет появления новых возможностей должна рассматриваться как инволюция заброшенных ландшафтов, что вызывает необходимость в разработке дополнительных мер для их оптимизации в условиях новой структуры природопользования.
Степень разработанности проблемы. Актуальность проблемы определила
большое количество научных исследований, посвященных функционированию
заброшенных ландшафтов (Mitsch, Gosselink, 2000; Бамбалов, 2007; Люри и др.,
2010; Тишков, 2010; Jenkins et al., 2010; Franz et al., 2011; Пузаченко, 2012;
Ракович, 2012; Prishchepov et al., 2013 и др.). Хорошо изучены изменение баланса
парниковых газов (Ярмошук и др., 1996; Peatlands…, 2008), биоразнообразия
(Katoh K. et al., 2009; Walker et al., 2004; Klimkowska et al., 2010; Uematsu Y. et
al., 2010), продуктивности экосистем (Marriott et al., 2010; Дьяконов, 2014) и
стока (Price et al., 2003; Tiemeyer et al., 2007; Tolkkinen et al., 2014)
постмелиорированных ландшафтов. Согласно рекомендациям ЮНЕП
(Millenium…, 2005) оптимизация природопользования должна опираться на оценку всего комплекса экосистемных услуг (социально-экономических функций в нашем понимании), получаемых от ландшафта - обеспечивающих, регулирующих, поддерживающих и культурных. Сделаны попытки дать их стоимостную оценку (Бобылев и др., 2001, 2009). Однако до настоящего времени
комплексная стоимостная оценка трансформации постмелиорированных ландшафтов остается спорной, многие параметры ландшафта трудно сопоставимы с денежной выгодой. Проблема требует выработки относительных критериев.
Цель работы: Выявить тренды развития модельного
постмелиорированного ландшафта в Мещерской низменности на основе анализа динамики физико-географических процессов и дать оценку изменений его социально-экономических функций спустя 20 лет после прекращения сельскохозяйственного использования.
Для решения поставленной цели ставились следующие задачи:
1. обосновать методы диагностики (индикации) функционирования и
развития постмелиорированного ландшафта и зоны его влияния;
2. сравнить параметры функционирования постмелиорированного
ландшафта в условно неизмененных условиях, в период активного дренажа и
сельскохозяйственного использования территории (до 1991 г.) и в современных
условиях;
3. определить критерии природной (нестоимостной) оценки социально-
экономических функций изучаемого объекта;
4. осуществить оценку социально-экономических функций постмелиори-
рованного ландшафта.
Материалы и методы исследования. Методологическую основу исследования составили работы отечественных и зарубежных ученых в области ландшафтоведения (Д.Л. Арманд, В.А. Николаев, В.С. Преображенский, А.Г. Исаченко, К.Н. Дьяконов, Ю.Г. Пузаченко и др.), болотоведения (М.С. Боч, Б.С. Маслов, А.Н. Иванов, А. Klimkowska и др.), мелиорации земель (В.С. Аношко, Ф.Р. Зайдельман, П.И. Пыленок, Н.Н. Бамбалов, В.А. Ракович и др.), химии почв и геохимии ландшафтов (Д.С. Орлов, М.А. Глазовская, Н.С. Касимов, И.А. Авессаломова, K. Kalbitz др.), биологии почв и биопродуктивности (А.А. Титлянова, Н.И. Базилевич, Н.Н. Бамбалов, В.Н. Ефимов, Н.И. Пьявченко и др.), дистанционного зондирования (Ю.Ф. Книжников, B.-C Gao, P. Ceccato и др.),
экологии и геоботаники (Л.Г. Раменский), дендрохронологии (E.R. Cook, С.Г. Шиятов). Основой для написания диссертации послужили материалы, собранные в ходе полевых исследований автора 2007-2011 гг., дополненные материалами экспедиций кафедры физической географии и ландшафтоведения 1977-1984 и 1996-2006 гг., а также многозональными снимками Landsat-5 2009-2010 гг. Влагозапасы в почве определены на 34 точках в 2007-2011 гг.; дендрохронологии построены для 7 фаций на основании 81 керна ели и 75 кернов сосны, отобранных в 2008 и 2010 г; надземная травянистая фитомасса, а также индексы увлажнения и богатства почв установлены для 26 луговых точек в периоды 1977-1984 и 1994-2011 гг.; по 14 точкам выявлено содержание C, N, H, S в 2010 г. и рН почвенных горизонтов в 1982 и 2008-2009 гг.; химический состав почвенных и поверхностных вод определен по 12-17 показателям в 8-19 точках в 1978, 1979, 2009 и 2013 гг. При обработке данных применялись географические, дендрохронологические, геохимические, геофизические, дистанционные и статистические методы.
Научная новизна работы. В работе решена актуальная задача
ландшафтоведения и ландшафтной экологии – разработана и опробована
методология физико-географического исследования постмелиорированных
ландшафтов для оценки потенциала природопользования. Впервые
проанализировано изменение социально-экономических функций модельного
ландшафта на основе длинного ряда наблюдений, захватившего этапы
интенсивного сельскохозяйственного использования (17 лет) и нерегулируемого
заброшенного функционирования (20 лет). Разработан набор экспресс-методов,
позволяющих оперативно получать сведения о состоянии ландшафта с
использованием основных положений дендрохронологического,
геохимического и дистанционного анализа. Результаты разработанных экспресс-
методов сопоставлены с многолетними рядами полустационарных наблюдений
за параметрами функционирования ландшафта и доказана состоятельность этих
методов. Предложены регрессионные уравнения, позволяющие
интерпретировать данные космической съемки Landsat-5 для выявления
территорий, находящихся в критическом состоянии иссушения, а также
территорий, на которых произошла максимальная сработка торфа. Доказана параболическая связь соотношения C/N с процентным содержанием углерода в органическом веществе агроторфяных почв и выявлен критический предел разложения торфа, после которого потеря органики не компенсируется относительным накоплением азота. Введен коэффициент стимулированного стока, позволяющий анализировать изменение интенсивности выноса вещества из антропогенно измененного ландшафта на основе разновременных гидрохимических данных.
Личный вклад автора. Автором в полевые сезоны 2007-2011 гг. проведены
исследования и опробование компонентов ландшафтов. Выполнен
дендрохронологический анализ кернов деревьев; определен сухой вес укосов надземной фитомассы; рассчитаны индексы влажности и богатства почв по шкалам Л.Г. Раменского; определены рН, Eh и объемный вес воды в почвенных образцах; проведена обработка и дешифрирование космических снимков; статистическая обработка и обобщение полевых и лабораторных материалов, анализ литературных источников. Подготовка к печати научных работ и выступлений на международных и всероссийских научных конференциях осуществлялось как самостоятельно, так и при участии научного руководителя.
Положения, выносимые на защиту. 1. Социально-экономические функции ландшафта проявляются через параметры его функционирования — геохимические и биологические круговороты, водный режим
2. Главным критерием оценки обеспечивающей функции ландшафта выступает биологическая продукция, которая определяется по изменению радиального прироста деревьев и травянистой фитомассе; регулирующая функция проявляется через пространственно-временную динамику водного режима и интенсивность выноса вещества с поверхностными водами; поддерживающая функция определяется в зависимости от содержание углерода и соотношения C/N в торфяных горизонтах почв и относительной площади деградированных торфяных почв.
-
Нерегулируемое человеком вторичное заболачивание осушенных болот не может привести к восстановлению исходного ландшафта. В Озерной Мещере вторичное заболачивание приводит к утрате плодородных сельскохозяйственных угодий без существенной компенсации за счет усиления биосферных функций нового состояния ландшафта.
-
Снижение качества выполняемых культурным ландшафтом социально-экономических функций с антропоцентрической позиции должно расцениваться как инволюционное развитие.
Теоретическая значимость исследования. Восстановлена картина трансформации социально-экономических функций ландшафта в три периода его хозяйственного использования – условно неизмененном, мелиорированном и постмелиорированном, - путем анализа длинного ряда происходивших в нем физико-химических процессов.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Работа
выполнялась в рамках грантов РФФИ: Пространственно-временные
закономерности вековых ритмов функционирования и форм их проявления на различных иерархических уровнях ландшафта в пределах лесной зоны (Методические и региональные проблемы ландшафтной дендрохронологии), проект №08-05-00152; Роль геофизических, литолого-геоморфологических и антропогенных факторов во внутри- и межвековых ритмах функционирования геосистем регионального и локального уровней лесной зоны (проблема ландшафтного пространства-времени), проект №15-05-06468. Материалы использовались в научных отчетах по проектам и включены в учебные курсы кафедры физической географии и ландшафтоведения (Геофизика ландшафта, Инженерная география). Предложенные экспресс-методы оперативного анализа постмелиорированных ландшафтов могут быть использованы в работах по ландшафтному планированию заброшенных территорий.
Апробация результатов, публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК; 1 статья в
рецензируемом сборнике, 2 статьи в международных журналах. Материалы представлены на восьми Международных и четырех Всероссийских научных конференциях и симпозиумах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 164 страницах печатного текста, содержит 34 рисунка, 18 таблиц и 12 приложений. Список литературы насчитывает 200 наименований, в том числе 89 на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность профессору К.Н. Дьяконову за научное руководство, школу экспедиционных исследований и предоставленные материалы, доценту И.А. Авессаломовой, научному сотруднику Ю.Н. Бочкареву и инженеру Е.С. Славину за помощь в сборе и обработке полевого материала, доценту А.Н. Иванову за предоставленные материалы, старшему научному сотруднику М.А. Хрусталевой за оказанную помощь в химической лаборатории кафедры, доценту П.П. Кречетову и сотрудникам лаборатории геохимии ландшафтов географического факультета МГУ, а также старшему научному сотруднику А.В. Савенко и сотрудникам лаборатории экспериментальной геохимии геологического факультета МГУ за проведение ряда анализов, ведущему научному сотруднику Е.Ю Новенко и сотрудникам кафедры физической географии и ландшафтоведения МГУ имени М.В. Ломоносова за ценные научные консультации, советы и поддержку.
Социально-экономические функции культурных ландшафтов и критерии их оценки
Ландшафтоведение зарождалось первоначально как наука о взаимодействии природы и общества. Предтеча русского ландшафтоведения В.В. Докучаев писал в 1898 году [34], что соотношения «между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растительными, животными и минеральными царствами, с одной стороны, человеком, его бытом, и даже духовным миром — с другой», эти соотношения и «составляют сущность познания естества, ядро истинной натурфилософии — лучшую и высшую прелесть естествознания». К моменту написания этих слов В.В. Докучаев уже опубликовал труд «Наши степи прежде и теперь» (1892 г), в котором рассматривал влияние человека на природу степей, а также предлагал способы преобразования природы для борьбы с засухой и сохранения плодородия почв, что в том же году было претворено им в жизнь на трех опытных участках, наиболее известный из которых Каменная степь. Корифей американской географии, Дж.П. Марш в своем фундаментальном труде «The earth as modified by human action» (Земля, измененная человеком) [166] еще раньше, в 1874 году, призывает изучать совместное действие природных компонентов — климат, геологию, растительный и животный мир - и преобразующую деятельность человека. При этом Дж.П. Марш рассматривает довольно подробно географические последствия осушения болот и озер, влияние орошения на климат и вторичное засоление и поднимает вопросы противостояния человека негативным природным процессам — эрозии, наводнениям, пожарам и проч.
В начале ХХ века во многих странах формируются ландшафтные школы, в которых теория культурного ландшафта занимает прочное место. В Германии З. Пассарге утверждает, что ландшафт должен служить основой для систематической организации природной и антропогенной характеристик территории (1921, приводится по Shaw and Oldfield, [184]). Позже К. Тролль вводит термин «ландшафтная экология», который объединяет географический (ландшафтный) подход с биоэкологическим для решения вопросов организации территории, районного и городского планирования [53]. Во Франции П. Видаль де ла Блаш изучает воздействие географической среды на человека и высказывает концепцию «географии человека» в одноименном труде (посмертно, в 1921 г), согласно которой человек — активная сила, воздействующая и направляющая процессы на земле, но действующая не изолированно, а в рамках природного комплекса. «Географическая индивидуальность, — писал Видаль де ла Блаш, — не есть что-то данное заранее природой; она лишь резервуар, где спит заложенная природой энергия, которую может разбудить только человек» (приведено по Тихонравову, [103]).
В США культурная география приобретает развитие благодаря трудам К.О. Зауэра. Интересно, что понятие ландшафта у К. Зауэра очень близко русской школе ландшафтоведения. В 1925 году в своей работе Морфология ландшафта [185] К. Зауэр определяет ландшафт как территорию, сформированную определенным сочетанием форм — физических и культурных. Ландшафт, он отмечает, имеет свою идентичность, так как имеет отличительное строение, границы и родовое отношение к другим ландшафтам, которые слагают систему более высокого уровня. К. Зауэр утверждал, что география — наука определенно антропоцентричная в смысле определения (и сохранения) ценности территории для хозяйственных нужд человека. Поэтому основное свойство ландшафта по К. Зауэру — это тип местообитания.
Отдельно К. Зауэр рассматривал влияние человека на природу, следы которого сохранились в структуре названных им культурными ландшафтах. При этом в начале XX века не стоял вопрос сохранения культурных ландшафтов, Зауэр отмечал, что культурные ландшафты носят отпечаток человеческой цивилизации, поэтому они являются субъектом для постоянного изменения — либо в результате развития культуры, либо в результате смены одной культуры другой (что он хорошо рассмотрел на примере смены индейской культуры культурой европейских переселенцев).
В России, развивая идеи Докучаева, Л.С. Берг в 1915 году формулирует задачи географии, главная из которых — изучение ландшафта [20]. Берг сразу же разделил понятия природного, не измененного человеком, ландшафта и культурного. Это разделение, положенное основателем русской ландшафтной школы, отразилось на дальнейшей судьбе науки — природное и культурное ландшафтоведение развиваются во многом изолированно, при этом культурная география тяготеет больше к экономической географии и гуманитарным наукам, а природный ландшафт становится в фокусе изучения отечественных ландшафтоведов. По всей видимости, это было обосновано тем, что требовалось понять сначала структуру, динамику и функционирование неизмененного ландшафта с тем, чтобы в перспективе создавать устойчивые рукотворные ландшафты. О недостатке знаний о природных процессах, формирующих ландшафт, говорил и К. Зауэр, отмечая, что перед географами стоит задача сбора большого объема в первую очередь природной информации. Таким образом, исследования отечественных ландшафтоведов переносятся в заповедники, объектами ландшафтного картографирования становятся «условно коренные ПТК», и даже длительное время существующие поля и пастбищные луга на ландшафтных картах получают название антропогенных модификаций без дальнейшего углубления.
Некоторый импульс к сближению культурного и природного ландшафтоведения наметился после принятия в 1948 году комплексной программы преобразования природы СССР (сталинский план преобразования природы). В 1950 г. В.Л. Котельников поднимает вопрос о теории культурного ландшафта и становится на позицию антропоцентричности географии [57]. Он говорит, что природа должна изучаться с точки зрения человеческой деятельности, и закладывает основы ландшафтного планирования, постулируя, что «организация территории служит связующим звеном между природой и сельскохозяйственной деятельностью» (там же). В 50-е годы много внимания уделяется понятийному аппарату культурного ландшафта. В.Л. Котельников предлагает различать стихийно и неорганизованно измененные ландшафты и преобразованные на благо человечества; Ю.Г. Саушкин называет культурным любой ландшафт, который в результате приложения человеческого труда приобретает новые качества [88]; Д.В. Богданов связывает новые качества культурного ландшафта с обязательным целеполаганием [25]; Н.А. Солнцев сужает понятие культурного ландшафта, считая таковыми только те, которые управляются на «высоконаучной основе» [98].
В рамках программы преобразования природы Д.Л. Арманд проводит масштабные исследования влияния лесополос на природные процессы в степи и дает научные рекомендации по их конструкциям, размещению и конфигурации [9]. В это же время комплексная экспедиция под руководством В.А. Николаева изучает природу Целинного края для целей сельского хозяйства, результатом которой становится атлас Целинного края, в котором дается бонитировка и комплекс рекомендаций по использованию и сохранению земель края. Но в целом научный интерес ландшафтоведов к культурному ландшафту в середине ХХ столетия довольно слаб.
Схожую картину развития культурной географии отмечают ряд историков географии и в странах Европы и Северной Америки [53, 114, 172, 184]. Рост количества работ, посвященных взаимодействию человека и природы, начинается с 70-х годов, и вызван он нарастающим истощением, загрязнением и разрушением ландшафтов в результате хозяйственной деятельности человека. В 1972 г. Римский клуб публикует резонансный труд «The Limits to Growth» (Пределы роста), авторы которого математически доказывают неизбежность глобального экологического кризиса, связанного с ростом населения и ограниченностью природных ресурсов [167]. В том же году проходит Конференция ООН по Вопросам Окружающей Среды (Стокгольм, 1972), где принимаются основополагающие принципы развития нашей цивилизации, которые констатируют необходимость управления окружающей средой для ее защиты и улучшения, необходимость территориального планирования для снятия конфликтов между неизбежным развитием территории и охраной окружающей среды и многие другие жизненно важные меры [196]. Спустя полгода на основе резолюции Генеральной Ассамблеи ООН создается Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), в сферу деятельности которой в том числе попадают вопросы управления геосистемами [132]. В этом же году Генеральная конференция ЮНЕСКО принимает Конвенцию об охране Всемирного культурного и природного наследия, учреждает Список всемирного наследия, куда в том числе попадают наиболее ценные культурные ландшафты [55]. Конвенция различает три категории культурных ландшафтов — а) рукотворные, к которым относят садово-парковые ландшафты; б) органично развитые, представляющие результат долговременного взаимодействия человека и природы; к этой категории отнесены реликты прежних эпох и современные культурные ландшафты, все еще продолжающие эволюционировать в рамках научно-технического прогресса, но сохраняя черты традиционного стиля жизни; в) ассоциативные ландшафты, представляющие сакральную, эстетическую или культурную, в целом нематериальную ценность.
Регулирование качества поверхностных вод
Продуктивность луговых экосистем снижается с уменьшением влажности местообитаний. Питательные качества фитомассы чаще наоборот растут при смене условий повышенного увлажнения на нормальное [41]. Поэтому при оценке обеспечивающих функций ландшафта важно оценивать не только чистую продукцию экосистем, но также их питательную и хозяйственную ценность. Но если рассматривать только продукцию, то интересно сравнить производство наземной фитомассы травяных болот и влажных лугов с урожаем многолетних трав на мелиорированных хозяйственных угодьях — пашне, сенокосных и пастбищных лугах.
Ежегодная продукция естественных низинных болот составляет по данным Н.И. Базилевич около 25 т/га в год [13], но сильно варьирует в зависимости от типа растительности. Так, низинные рогозовые болота зоны смешанных лесов производят 28,7 т/га в год, из них 21,2 т/га в год приходится на надземную фитомассу; продуктивность низинных вейниково-осоковых болот широколиственных лесов 25,6 т/га в год общей и 20,0 т/га в год надземной фитомассы; продуктивность осоково-вейниковых болот Приамурья - 36,5 т/га в год, где наземная фитомасса составляет всего 5,1 т/га в год [21]. Травяные болота Барабинской низменности производят -47,8 т/га в год общей и 7,7 т/га в год надземной фитомассы. Надземная фитомасса осоково-тростниковых болот северной Германии 5,1-7,7 т/га в год [197]. М.С. Боч дает более низкие значения продуктивности болот, ежегодное производство фитомассы в белорусских эвтрофных болотах им оценивается в 2,9-5,2 т/га в год, из которой надземная фитомасса составляет 1,5-2,1 т/га в год [27]. Средняя продуктивность вейниково-осоковых болот Мещеры по нашим данным составляет 2,9 т/га в год надземной фитомассы.
Влажные луга Барабинской низменности производят 34,7 т/га в год общей и 5,4 т/га в год надземной фитомассы. Влажные пойменные луга Новгородской области дают 14,9 общей 3,8 т/га в год надземной фитомассы. Влажные луга притихоокеанского региона - 15,5 и 8,0 т/га в год соответственно. Продуктивность влажных лугов Мещеры 2,5 т/га в год надземной фитомассы.
Ежегодная продукция естественных мезотрофных бобово-разнотравно-злаковых лугов средней полосы России 25,3 т/га в год общей и 7,9 т/га в год надземной фитомассы. При ксерофитизации происходит дальнейшее снижение продуктивности — до 14,6 т/га в год общей и 5,9 т/га в год надземной фитомассы на Смоленско-Московской возвышенности.
Урожайность гидромелиорированных угодий зависит от многих других факторов, кроме снижения влажности почв, поэтому разброс продуктивности на них еще больше. Так, урожайность многолетних трав в полевом севообороте составляет 15-20 т/га в год надземной фитомассы в Белорусском Полесье, в Тверской области 2,9 т/га в год, в Рязанской Мещере 4-8 т/га в год [71]. Осушенные сенокосные луга дают ежегодно 1,0-1,6 т/га в год надземной фитомассы в Тверской области, 2,4-2,5 т/га в год в Рязанской Мещере, 2,9-4,4 т/га в год в Северной Германии. На пастбищах получают большие урожаи - 4,9 т/га в год с естественных и до 10,0 т/га в год с культурных пастбищ [71].
Таким образом, осушение болот под экстенсивное сельское хозяйство происходит с потерей продуктивности с 1,5-15,0 (до 21) т/га в год в естественных болотах до 1,3-4,9 т/га в год надземной фитомассы на осушенных лугах. Повышение продуктивности возможно только за счет интенсификации и внесения удобрений.
Радиальный прирост деревьев на прилегающих к осушенным торфяникам территориях снижается от изменения водного режима в любую сторону — снижение прироста фиксируется как в годы, следующие за осушением, так и в период обратной перестройки геосистем при запруживании заброшенных каналов и вторичном заболачивании [107, 125]. При стабилизации грунтовых вод на критическом для лесных экосистем уровне наблюдается большая зависимость прироста от климатических переменных и в результате более высокая изменчивость продуктивности по годам.
Осушение торфяных болот приводит к интенсификации процессов гумификации и минерализации и, в конечном счете, к потере органического вещества почв. Скорость минерализации торфа зависит от состава растений-торфообразователей, степени их разложения, биологической активности населяющих почву микроорганизмов. Максимальная скорость разложения органического вещества наблюдается в первые годы после осушения, в дальнейшем скорость замедляется, в отдельных случаях происходит накопление новой органики за счет опада заменивших болото растительных сообществ. В зоне смешанных и широколиственных лесов стабилизация процессов разложения при экстенсивном землепользовании происходит в среднем через 10-14 лет, в лесостепной зоне через 4-7 лет, в таежной зоне может затянуться на долгие годы из-за слабого развития биогеохимических процессов [39]. Естественный процесс разложения торфа ускоряется под воздействием хозяйственной деятельности человека. Внесение удобрений, как неорганических, так и органических, способствует жизнедеятельности микроорганизмов-редуцентов, что, в свою очередь, укоряет темпы минерализации [192].
По наблюдениям на Полесской опытной станции мелиоративного земледелия и луговодства [14] потери торфа при сельскохозяйственном использовании осушенных земель составляет в среднем 7,5 т/га в год. При этом максимальные потери происходят при возделывании зерновых и пропашных культур (10,3-12,6 т/га в год). Введение многолетних трав в севооборот сокращает ежегодные потери до 6,4-6,7 т/га, а выращивание только многолетних трав до 2,2 т/га. Но опыты показывают, что создание искусственного минерального пахотного слоя поверх торфа приводит к снижению потери органики до 0,5 т/га в год, а с течением времени к саморегулирующемуся балансу органического вещества. Такой тип вспашки называется песчано-смешанной культурой, в отличие от черной культуры, при которой ведется вспашка поверхностного органического слоя. При песчано-смешанной культуре добиваются одинакового содержания торфа и песка в пахотном горизонте, который перекрывает нижележащий органический горизонт, предотвращая в нем процессы минерализации. После приготовления в 1971 г. песчано-смешанной культуры на Полесской станции содержание органического вещества в пахотном слое колебалось в пределах 0,2-7%, к 2010 году размах колебаний составил 1,1-5,5% [17].
Исследования в Рязанской Мещере выявили более высокие темпы минерализации, здесь скорость разложения органического вещества торфа достигает 40-64 т/га в год [43]. В работе доказывается, что пескование способствует прогреванию всего профиля почв и, следовательно, улучшению гидротермических условий жизнедеятельности микроорганизмов, что приводит к интенсификации процессов разложения. Снижение темпов минерализации при песчано-смешанной культуре достигается только при использовании территории под посевы многолетних трав (сенокосов, пастбищ).
Водные ресурсы болот помимо выполнения важных биосферных функций представляют самостоятельную ценность. В болотах аккумулированы миллиарды тонн пресной воды, причем четвертая часть запасов находится в не связанном с торфом состоянии [26]. По данным Н.Н.
Бамбалова ежегодный прирост запасов воды на 1 га естественных болот составляет в среднем 3,2 тонны для низинных и 7,7 тонн для верховых болот. Осушенные болота уже не могут являться водными резервуарами, и эта функция ими утрачивается полностью. При восстановлении водного режима на осушенных территориях возвращение водоаккумулирующей способности происходит не сразу, так как главным аккумулятором болотных вод служит на столько рельеф, сколько торфяная толща, свойства и масса которой значительно изменяются в результате осушения.
Единственной оговоркой ценности данных водных ресурсов является то, что воды, заключенные в торфяных толщах как естественных, так и осушенных болот, не пригодны для питьевого снабжения и могут использоваться только для технических нужд.
Исследование продуктивности экосистем
Изучаемая территория находится на границе двух мезоморфоструктур фундамента — восточная часть заходит на Тумско-Куршинский блок, который имеет прямое соотношение с Тумско-Шатурским выступом Токмовского свода, западная спускается в Спас-Клепиковский блок, к нему же относится вся цепочка озер [59].
Поверхность коренных пород Мещерской низменности чаще всего образуют отложения нижнего мела, преобладают алевриты с прослоями песка, встречаются юрские глины. Склон подошвы коренных пород, в районе исследования прослеживается на высотах от 120 м до 90-100 м с востока на запад. Западнее озера Белого начинается понижение в дочетвертичном фундаменте, которое протягивается линейно, захватывая область Туголесских и Великих озер, и на юге сливается с тальвегом долины пра-Оки. Депрессия Великих озер, или Центральная депрессия, имеет сложное эрозионно-тектоническое строение - являясь долиной пра-реки в дочетвертичное время, она также служила ложбиной стока талых ледниковых вод в периоды плейстоценовых оледенений.
Средняя мощность четвертичных отложений в Мещерской низменности составляет 10-15 м, увеличиваясь до 40 м в депрессии Великих озер и до 56 м на юго-востоке, в долине Оки. Накопление отложений в четвертичное время определялось изменением положения базиса эрозии.
Слабое дифференцированное поднятие территории в плиоцене сменилось опусканием. Отложения доднепровского возраста, представленные преимущественно озерными и аллювиальными разнозернистыми песками, сохранились только в понижениях фундамента коренных пород, в частности, в Центральной депрессии. Больше представлены в Мещерской низменности моренные и флювиогляциальные отложения днепровского возраста. Днепровская морена была сильно размыта в последующие периоды и сохранилась преимущественно на повышениях рельефа коренных пород, на высотах выше 133-140 м, но может спорадически встречаться на всей территории Мещерской низменности, в частности, в Центральной ложбине на высотах до 106 м [74].
Днепровские надморенные водно-ледниковые отложения распространены почти повсеместно, их средняя мощность составляет 2-4 м и они представлены мелкозернистыми кварцевыми песками, иногда пылеватыми или глинистыми или переслоями мелкозернистых песков, суглинков и супесей.
В Московское время произошло значительное поднятие базиса эрозии. Затрудненный сток определил сильное обводнение территории, Центральная депрессия служила ложбиной перелива талых ледниковых вод из долины Клязьмы в долину Оки. Это время характеризуется повсеместным накоплением зандров, которые образуют два высотных уровня - высокий на отметках 142-130 м и низкий, в Центральной ложбине, на высотах 125-117 м. Зандровые отложения представлены мелкозернистыми кварцевыми песками, но могут содержать прослои суглинков и супесей. В понижениях Центральной депрессии отложения московского возраста приобретают характер отложений застойных вод, более похожи на озерные — переслаивания пылеватых суглинков и супесей, прослои песков [11].
Отложения Московского возраста сформировали рельеф исследуемой территории. Возвышенные останцы озерно-аллювиальной (зандровой) равнины с высотными отметками 119-121 м (до 129 м) имеют следующее строение: озерные суглинки и глины, подстилаемые песками, появляются в разрезах на высотах 113-117 м и прослеживаются до высот 116-118 (до 121) м; выше суглинков залегают толщи песков мощностью 3-4,5 (до 7) метров; верхние 0,3-0,6 м слагают супеси. Наличие озерных суглинков и глин, но их более высокое положение в рельефе, вновь указывает на склоновое, пограничное, положение территории исследования.
В Московско-Валдайское межледниковье происходило глубокое врезание эрозионной сети, спускание озер, образовавшихся в ложбинах стока, в конце межледниковья врезание прекратилось и началось торфонакопление и образование озер. Озерно-болотные отложения московско-валдайского времени представлены тяжелыми серыми, синеватыми и коричневатыми суглинками мощностью от 3 до 15 м, с растительными остатками и погребенным торфом, часто залегают под озерными отложениями валдайского возраста или прямо под отложениями голоцена.
В Валдайское время вновь произошло повышение базиса эрозии и трансгрессия озер. Валдайские озерные отложения наиболее широко распространены именно в Центральной низине и подстилают озерно-болотные отложения голоцена. Представлены иловатыми песками с прослоями супеси и суглинка. В ложбинообразных понижениях, врезанных в озерную равнину Центральной низины и образовавшихся в конце валдайского времени, залегают обычно тонко- и мелкозернистые пески мощностью 2,5-3,5 м.
В начале голоцена базис эрозии понизился, произошло врезание и спуск озер. Эрозия во многих случаях размыла валдайские толщи. Характер отложений в ложбинообразных понижениях в пределах исследуемой территории свидетельствует об интенсивных процессах эрозии здесь в это время — рельеф кровли озерных суглинков московского возраста сильно расчленен, глубина эрозионных врезов составляет 1,7-1,9 м. В дальнейшем после смены знака тектонических движений врезы были заполнены аллювиальными песками или торфом, который занял все днище ложбин. В настоящее время торф лежит на довольно неоднородном по рельефу и составу отложений основании (рис. 4.1).
Болотные отложения Мещеры представлены низинными, переходными и верховыми торфами, средней мощности 1-2 м, на крупных болотных массивах до 3-4 м. Торфонакопление началось 5900-8700 лет назад [59]. Асеев и Веденская [11] оценивают среднюю скорость опускания Мещерской низменности в 0,5 мм/год за последние 5-7 тысяч лет. По материалам повторного нивелирования Восточно-Европейской равнины в 1971 г. скорость опускания Мещерской низменности увеличилась до 3,7-4,5 мм/год [52]. На исследуемой территории болотные отложения выполняют днище ложбины стока, мощность торфа неравномерна, зависит от рельефа минерального основания и колеблется в пределах от 0,5 до 1 метра, редко до 1,8 м [79].
Для Рязанской Мещеры многими авторами отмечается ступенчатость поверхности [59, 75]. Выделяют четыре уровня поверхностей междуречий 125-160 м, 118-125 м, 110-118 м, 100-110 м, еще одну ступень образует окская пойма. Все эти ступени представляют собой уровни аккумуляции четвертичных отложений разного возраста — высокий уровень (125-160 м) зандровые равнины московского возраста, имеющие днепровскую морену в подстилании, на ступени 118-125 м сформировались зандровые равнины низкого уровня с вложенными в них озерными и озерно-аллювиальными равнинами московского возраста, нижние ступени рельефа представляют собой заболоченные озерные и аллювиальные равнины, сформированные в позднечетвертичную эпоху.
Территория исследования находится в пограничной области — изрезанный левый склон зандровой равнины междуречья Пры и Гуся формирует высокие уровни рельефа (118-129 м) бассейна реки Вожи (рис. 4.2). Склон зандровой равнины представляет собой серию песчаных гряд, протягивающихся с СВ на ЮЗ и разделенных врезанными ложбинами, чаще всего заболоченными, открывающимися в озерную равнину Центральной ложбины стока и формирующими нижнюю ступень рельефа территории (113-118 м).
Для рельефа низины Великих озер, которая является геоморфологическим подрайоном плоской и волнистой долинно-зандровой и озерной низменной равнины Центральной ложбины стока ледниковых вод, характерно сочетание неглубоких (2-5 м) котловин современных озер, окружающих их озерных равнин и широкое распространение останцов более высоких уровней среднечетвертичного рельефа. Озерные равнины имеют высоту от 111 до 117 м. Останцовые острова высотой 118-125 м являются либо сохранившимися днищами ложбин стока, либо озерными террасами [11]. В редких случаях на останцах сохранились круглые озера, вода в которых на 3-4 м выше, чем в проточных озерах. Под эту характеристику подпадает Белое озеро, генезис которого до сих пор до конца не выяснен.
Подземные и поверхностные воды
Средний радиальный прирост елей в районе исследования составляет 2,1-2,7 мм/год. Графики радиального прироста ели подчинены, с одной стороны, экспоненциальному падению прироста с возрастом древостоя, с другой стороны, отмечены отдельными пиками, связанными, очевидно, с малоплощадными рубками (рис. 5.6 б, Приложение 6). Довольно резкий подъем прироста, захвативший почти все исследуемые фации, отмечается в 1957 г, период высокой продуктивности длится до 1962-1963 годов. Средний прирост за этот период составляет 3,2-4,4 мм. Природа этого подъема не выяснена. Влияние мелиоративной системы исключается, так как она была введена в действие только в 1966 году, и рост продуктивности отмечен как на площадках в зоне осушения, так и в фоновых условиях, максимальный всплеск (до 5,5 мм в 1959 г) отмечается у елей на автономной площадке в зоне влияния осушения, что также говорит против влияния возможного осушения в этот период. Далее, в 1967-1969 гг. на точках в зоне осушения происходит заметное падение прироста (до 2,2-2,7 мм), которое компенсируется подъемом в последующие годы. В возрасте 50-70 лет (1987-2007 гг.) радиальный прирост ели составляет порядка 1,2-1,5 мм в фоновых условиях и 1,3-1,8 в зоне влияния осушения.
Радиальный прирост сосен в среднем составляет 2,4-2,8 мм. Ход прироста аналогичен ели: в 1957-1963 гг. также наблюдается заметный всплеск продуктивности, величина годового радиального прироста в среднем в это время составляет 2,9-5,4 мм, максимальный — 5,8-6,0 мм (в 1959 г). После осушения сосны в среднем лучше себя чувствуют в фоновых условиях, годовой радиальный прирост, осредненный для последних 20 лет, составляет 1,8-2,2 мм, в то время как в зоне осушения 1,4-1,9 мм/год (рис. 5.6 а, Приложение 5).
Количество переменных, включаемых в уравнения множественной регрессии определялось совокупным коэффициентом детерминации R2. Для моделирования среднечастотных колебаний прироста использовались полученные сходным образом среднечастотные колебания климатических характеристик. Рисунок 5.6. Ход годового радиального прироста деревьев, усредненного по точкам ландшафтного профиля: а — Pinus sylvestris; б – Picea abies
Среднечастотные колебания прироста ели в гидроморфных условиях показывают высокую степень синхронности (индекс синхронности 81, индекс CDI 71) и на 69-78% определяются действием трех факторов — рассчитанным по методу Л. Одина [174] коэффициентом увлажнения в апреле и октябре и температурой в сентябре (рис. 5.7). Коэффициент увлажнения апреля положительно связан с приростом во всех гидроморфных местообитаниях: чем выше увлажнение апреля, тем выше прирост ели. Рост коэффициента увлажнения в октябре в период с 1967 по 1973 гг., вызванный значительным ростом осадков (в среднем на 30 мм, до 60 мм в отдельные годы) при общем снижении температуры в среднем на 1 градус, с высокой точностью предсказывает падение продуктивности лесов в этот период. Но в последующие годы вклад этого фактора незначителен. Температура в сентябре положительно связана с приростом.
В автоморфных условиях среднечастотные колебания прироста ели на 35-70% объясняются действием двух факторов — температурой апреля и разницей средних температур теплого (май-сентябрь) и холодного (декабрь-январь) периодов. Увеличение амплитуды температур тормозит развитие ели. Высокие температуры апреля также негативно сказываются на приросте. Судя по полученным зависимостям, оптимальной для ели температурой апреля является 4-5 С, при температурах выше 8 С наблюдается заметное снижение прироста. Важность апрельской температуры также показывают исследования Т.А. Сазоновой [87] в Карелии для прироста сосны обыкновенной: повышение апрельских температур до 8-10 С оказывает неблагоприятное воздействие из-за того, что еще не оттаявшая почва не может обеспечить корни деревьев необходимой влагой, а вегетация уже идет. Сходную реакцию ели сибирской отмечает Г.Г. Суворова, для начала вегетации которой также наиболее благоприятными условиями являются невысокие температуры при высоком запасе влаги в почве [101].
Что характерно для среднечастотных колебаний прироста ели на всех точках исследования — это отсутствие значимой зависимости от летних климатических характеристик. Температуры и осадки летних месяцев выходят на первый план в регионах с дефицитом тепла [113, 162] или влаги [60]. Мещерский регион находится в благоприятных климатических условиях, вегетационный период вполне обеспечен теплом и влагой, а на наиболее дренированных и сухих вершинах песчаных грив ель предпочитает не селиться. Таким образом, увеличение или уменьшение продуктивности Мещерских лесов зависит от периодов ранней и поздней вегетации. Ранневесенний фотосинтез обеспечивает потребности хвойных растений в ассимилятах на весь последующий период вегетации, а поздним летом и осенью происходит накопление ассимилятов для следующего года жизни растения.
Сезонная амплитуда температур сказывается только в автоморфных урочищах, что объясняется практически непрерывным процессом фотосинтеза хвойных, который нарушается морозными зимами и жарким летом. Пониженные участки гидроморфных урочищ больше защищены от перепада температур смягчающим действием накапливающегося снега зимой и повышенного уровня грунтовых вод летом.
Различия в динамике прироста ели на осушенных территориях и вне зоны осушения сказываются в силе отклика на возмущающий фактор. Амплитуда колебаний продуктивности древостоев осушенных территорий в период с 1960 по 1980 гг. особенно велика. В 1958-1960 гг в районе будущего осушения проводились выборочные рубки, с чем связан высокий пик прироста в эти годы у сохранившихся деревьев. Падение прироста в период с 1967 по 1970 наиболее ощутимо происходит на осушенной в 1966 году территории, здесь на негативное влияние климатических факторов накладывается процесс перестройки древостоев после изменения водного режима. В этот период осушение сказывается неблагоприятно даже на продуктивности гидроморфных урочищ.
Среднечастотные колебания прироста сосны в гидроморфных условиях описываются на 55-87% кривыми хода суммарных осадков за летний период (VI-VIII) и осадков мая. При этом влияние осадков мая положительное, с увеличением влажности мая растет прирост сосны, а влияние суммарного увлажнения за летний период разнонаправленно — в фоновых условиях высокий радиальный прирост деревьев соответствует пониженному увлажнению летнего периода, а на осушенных участках, наоборот, сухое лето тормозит прирост сосны.
В автоморфных урочищах среднечастотные колебания прироста сосны на 24-86% зависят от тех же факторов, к которым добавляются осадки февраля. Связь с осадками вегетационного периода положительна практически во всех точках. Влияние осадков февраля разнонаправленно — на осушенных участках повышение запасов февральского снега ведет к увеличению продуктивности лесов, а в фоновых урочищах негативно сказывается на приросте сосны. Таким образом, найденные зависимости показывают, что в Мещере сосны предпочитают относительно сухие условия вегетационного периода, что согласуется с исследованиями Г.Г. Суворовой в Сибири [101].
Среднечастотные колебания прироста сосны отличаются в целом более низкими значениями коэффициентов вариации, не прослеживается и связь неравновесности прироста с воздействием осушения, как это было выявлено для ели.
Вклад антропогенного фактора в среднечастотные колебания прироста выявляется после снятия флюктуаций, вносимых найденными климатическими предикторами, то есть далее анализировались остатки регрессионного моделирования. Несмотря на невысокую дисперсию регрессионных остатков, их анализ показал, что в период, последовавший за осушением, (рис. 5.8) среднечастотные колебания прироста, не описанные климатическими переменными, в одинаковых ландшафтных условиях асинхронны между собой. Спустя приблизительно 15 лет после стресса, вызванного нарушением гидрологического режима территории, кривые остатков от моделирования постепенно синхронизируются. Обозначенный в 15 лет период стабилизации справедлив как для ели европейской, так и для сосны обыкновенной. Реконструкция дренажной системы и интенсификация сельского хозяйства, прошедшая в 1986 году, а также начавшийся в 1992 году процесс вторичного заболачивания в результате забрасывания угодий до настоящего момента никак не отразились на среднечастотных колебаниях радиального прироста деревьев.