Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природные условия лесостепи Приишимья
1.1. Лесостепная зона 7
1.2. История геологического развития и орография 18
1.3. Гидроклиматическая дифференциация региона 22
1.4. Почвы 31
1.5. Растительность 3 9
Глава 2. Методы исследований
2.1. Методы изучения и оценка точности определения характеристик снежного покрова 53
2.2. Методика агрохимического обследования снега 56
2.3. Методы геоботанических исследований 57
Глава 3. Особенности зимнего сезона и распределения снежного покрова лесостепи Приишимья
3.1. История изучения снежного покрова 59
3.2. Особенности зимнего сезона лесостепи Приишимья 73
3.3. Распределение снежного покрова в лесостепи 97
3.4. Опыт использования коэффициента снегоемкости Кс при картографировании снежного покрова. 118
Выводы 131
Литература 134
Приложение 150
- История геологического развития и орография
- Почвы
- Особенности зимнего сезона лесостепи Приишимья
- Распределение снежного покрова в лесостепи
Введение к работе
Актуальность исследования. В результате развития рыночных отношений в экономике России в настоящее время появляются негативные явления в природопользовании и ухудшение среды жизнедеятельности ее граждан. Предпринимаются различные меры для улучшения сложившейся сложной эколого-экономической ситуации (Концепция устойчивого развития РФ, 1997; Закон «Об экологической экспертизе», 1995; новая редакция Закона «Об охраняемых природных территориях, 2000; Закон «Об охране окружающей природной среды», 2002 и др.), однако экологическая проблема к началу XXI в. приняла в наиболее освоенных регионах России угрожающий характер.
Хозяйственное воздействие на ландшафты Азиатской России с сырьевой направленностью ее экономики особенно значительно. Одним из крупнейших регионов ее является южная лесостепная часть Западной Сибири (в том числе и в пределах Тюменской области), которая особенно интенсивно заселялась и осваивалась последние 300 лет. Как следствие освоения региона возникает большое разнообразие измененых геосистем. Учет процесса трансформации природных комплексов необходим для планирования и рационализации природопользования, а также сохранения и улучшения природной среды. При этом важной задачей является познание функционирования ландшафтов, которое в большей степени определяется холодной частью года и в первую очередь снежным покровом. Снежный покров - один из значимых экологических факторов в развитии природных комплексов и их компонентов.
Его последствия сказываются определенным образом и летом. Недоучет, и тем более игнорирование роли снежного покрова в лесостепных ландшафтах и в хозяйственной деятельности, может привести к непредсказуемым последствиям, что определяет актуальность исследований
зимнего сезона лесостепных ландшафтов Приишимья и, в первую очередь, снежного покрова и растительности - важнейших компонентов ландшафта.
Объектом нашего исследования является снежный покров лесостепи Приишимья в пределах юга Тюменской области, самая освоенная и заселенная часть региона, которая отличается уникальностью, динамичностью и контрастностью по сравнению с другими ландшафтными зонами.
Предметом изучения взят зимний сезон лесостепи, определяющий условия формирования различных типов растительности и распределения снежного покрова.
Цель работы: выявление особенностей зимнего сезона лесостепных ландшафтов и взаимодействие снежного покрова и растительности. Исходя из этого, ставились и решались следующие задачи:
1 - выявить особенности нивально-гляциального периода (НГП), когда
«работает» снежный покров и определить его стуктуру в лесостепи
Приишимья на юге Тюменской области;
2 - определить особенности распределения снежного покрова в
наиболее распространенных растительных сообществах лесостепи
Приишимья;
3 — оценить возможности построения карты ежегодной максимальной
толщины снежного покрова с учетом снегоемкости территории.
Исходные материалы и методы исследования. В основу работы положены авторские материалы, собранные в ходе полевых исследований в период с 1998 по 2003 гг. Кроме того, использовались многочисленные литературные источники: картографические, фондовые материалы, данные научных работ в области теории и практики гляциологии, ландшафтоведения и геоботаники.
В решении поставленных задач применялись методы: наземные маршрутные наблюдения, как в зимний сезон, так и в период вегетации
растительности. В камеральных условиях проводился анализ и обобщение собранных материалов с применением статистических методов. Научная новизна исследования.
— впервые определены особенности нивально-гляциального периода (НГП) в лесостепи Приишимья, как одного из ведущих факторов развития основных типов растительности и формирования снежного покрова;
— в работе определена роль основных типов растительности лесостепи в трансформации зимних осадков и формировании снежного покрова;
3 — впервые предложен алгоритм построения карт ежегодной
максимальной толщины снежного покрова с учетом снегоемкости
территории.
Практическое значение работы. Полученные результаты могут найти применение при разработке планов мероприятий по рациональному использованию снежных ресурсов и талых вод, при экологическом и гидрологическом обосновании проектов и программ, в гидрологических расчетах для строительного проектирования. Простота и высокая надежность карт характеристик снежного покрова, составленных с учетом коэффициента снегоемкости территории, позволяет рекомендовать предложенный подход для оптимизации параметров гидрологической модели стока и коррекции оперативных прогнозов уровней воды в реках в период весеннего половодья, а также для анализа текущей агрогидрологической обстановки с целью обоснования агротехнических, мелиоративных и других мероприятий. Отдельные части диссертации использовались при подготовке учебных курсов «Проблемы современного естествознания» и «Общая экология» Ишимского педагогического института и филиала Тюменского государственного нефтегазового университета.
Апробация работы. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались автором на научных конференциях: «Ершовские чтения» (Ишим, 1998, 1999); «Проблемы географии на рубеже XXI века» (Томск, 2000 г.); «Исследования эколого-географических проблем
6 природопользования для обеспечения территориальной организации и устойчивости развития нефтегазовых регионов России» (Нижневартовск, 2001 г.); «Антропогенное воздействие на лесные экосистемы» (Барнаул, 2002 г.); «Александр фон Гумбольдт и проблемы устойчивого развития Урало-Сибирского региона» (Тюмень, 2004 г.).
Содержание и основные результаты исследования изложены в 11 опубликованных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и 17 приложений. Текст изложен на 150 страницах, включет 31 рисунок и 17 таблиц. Список литературы содержит 187 источника.
Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель и задачи исследования, его объект и методы, научная новизна и практическое значение работы. В первой главе рассмотрены природные условия региона и история его формирования. Приводится физико-географическая характеристика территории. Вторая глава посвящена методам исследования и содержит оценку точности определения основных характеристик снежного покрова. В третьей главе проанализирован опыт исследования зимнего сезона и выявлены особенности распределения снежного покрова лесостепи. Показано влияние основных типов растительности на твердые осадки и формирование снежного покрова. Предложен алгоритм построения карт характеристик снежного покрова. В заключении подведены итоги исследований, сформулированы основные выводы.
В ходе исследований и при работе над диссертацией автор пользовался консультациями, советами и критическими замечаниями сотрудников географического факультета Алтайского госуниверситета, Кузбасского ботанического сада (СО РАН), Центрального Сибирского Ботанического Сада (СО РАН), сотрудников Омского УГМС, Ишимского ГПИ им. П.П.Ершова, наблюдателей-метеорологов ГМС «Ишим» и агрохимиков-токсикологов ГС АС «Ишимская». Автор искренне признателен и благодарен всем коллегам и специалистам, друзьям, и, особенно, моей жене Светлане
Анатольевне, без чьей постоянной заботы, любви и настойчивости эта работа никогда бы не была написана.
История геологического развития и орография
Тюменская лесостепь занимает территорию Тобол-Ишимского и Ишим-Иртышского междуречья, в пределах юга Западной Сибири (рис.3).верхнечетвертичные аллювиальные отложения поймы и I надпойменной террасы; 2 - верхнечетвертичные озерно-аллювиальные отложения II надпойменной террасы; 3 - верхнечетвертичные озерно 19аллювиальные отложения III надпойменной террасы; 4 - средне-верхнечетвертичные озерно-аллювиальные отложения IV надпойменной террасы; 5 - средне-четвертичные озерные отложения бахтинского надгоризонта; 6 - нижнее-среднечетвертичные аллювиальные отложения тобольской свиты; 7 - верхнеплиоцен-нижнечетвертичные озерные отложения смирновской свиты; 8 - верхнеплиоцен-нижнечетвертичные аллювиальные отложения «мертвых» долин; 9 — субаэральные покровные образования водоразделов; 10 - дочетвертичные породы.
По материалам исследований Тюменьгеологии и литературным источникам (Геология...,1964; Архипов и др., 1970; Старков, Тюлькова, 1996; Астапов и др., 1980), район исследования прошел длительный и сложный путь развития в составе южной части Западно-Сибирской равнины. Уже в позднепалеозойское время это был промежуточный массив платформенного типа, сопрягавшийся через системы разновозрастной складчатости с Русской и Сибирской платформами.
Геосинклинальный этап развития Западно-Сибирской равнины завершился в основном в триасе, и сейчас она представляет собой эпигерцинскую плиту со складчатым доюрским фундаментом из кристаллических пород, которые перекрыты чехлом менее дислоцированных осадочных пород мезозойско-кайнозойского возраста. Первоначальные осадки разного возраста и генезиса изменены в процессе диагенеза и представлены часто переслаивающимися известняками, мергелями, песками, аргиллитами, алевролитами, песчаниками и конгломератами пород.
Важные события в геологической истории района исследования происходили в неоген-четвертичном этапе развития (Лазуков, 1989). После отступания олигоценового моря на месте современных аллювиальных равнин северной части территории были преимущественно области денудации. В пределах Ишимской равнины находились зоны озерно-морского, озерно-лагунного и озерно-речного типа. Этот этап геологической истории отразился в породах соответствующего генезиса абросимовской, таволжанской, павлодарской и смирновской свит.
В результате неотектонической активности в конце раннего плейстоцена произошли поднятия современных южных равнин и компенсационные движения отрицательного знака к северу от них. В Тобольское время (Qi-г) были заложены русла прарек, области аккумуляции сместились к северу. А в средне-верхнечетвертичный этап формирования современного рельефа происходило отложение осадков континентального генезиса, которые прослеживаются в долинах рек на разновысотных ступенях надпойменных и пойменных террас, в «мертвых» долинах стока и водоразделах. Мощность четвертичных отложений колеблется от 1- 4 на водоразделах, до 15-30 м в долинах рек.
В орографическом плане территория представляет собой полого-наклонную слабоволнистую равнину, ограниченную с запада р. Тоболом, с севера — южной тайгой, с востока — р. Иртышом, а с юга — степями Притоболья и Приишимья в пределах Ишимской наклонной равнины (рис. 4). Абсолютные отметки колеблются от 120 — 150 на Тобол-Ишимском междуречье до 50 - 60 м на поверхностях низких террас речных долин.
Современный рельеф определен процессами и формами речной и озерной деятельности. Снижение террас от VI к III в пределах Ишимской равнины наблюдается в северном направлении.
Из распространенных форм рельефа необходимо отметить водораздельные поверхности (наиболее высокие и древние ступени), «мертвые» долины прарек, террасы (пойменные и надпойменные), уступы, склоны, котловины (озерные и болотные). Встречаются также гривы и межгривные понижения; термокарстовые, эрозионно-суффозионные и суффозионные западины и блюдца (Волков, 1965; Волков и др., 1969, Городецкая, 1972).
Почвы
Почвенный покров формируется в тесной связи с геохимическими и условиями. На повышенных участках в лесных массивах развиваются более промытые, несколько обедненные гумусом серые лесные почвы, в степных массивах в аналогичных условиях образуются черноземы разной степени выщелачивания (оподзоленные, выщелоченные, типичные мощные и среднемощные, тучные). К югу площадь, занятая черноземами, нарастает, а степень их выщелачивания убывает.
Зональными почвами являются лесные темно-серые и черноземы, но и последние встречаются лишь ограниченными фрагментами вдоль склонов рек Ишима, Тобола, Вагая и их притоков. Значительная часть слабодренированной территории занята почвами гидроморфного засоленного ряда.
Своеобразие почвенного покрова района исследования определили история геологического развития и специфика геоморфологического строения. Почвенный покров сложен и разнообразен, представлен различными сочетаниями и комплексами зональных и интразональных, автоморфных, гидроморфных и полугидроморфных почв.
Прежде всего, это своеобразие заключается в широком распространении интразональных почв, среди которых первое место занимают различного рода гидроморфные и полугидроморфные почвы от торфяно-болотных до лугово-черноземных. Распространению этих типов почв способствовали равнинный рельеф местности, повсеместно высокое залегание почвенно-грунтовых вод и верховодки, особенно на водоразделах и высоких надпойменных террасах. Следы избыточного увлажнения нередко несут на себе и зональные почвы.
Специфической особенностью почвенного покрова юга области является широкое распространение почв засоленного ряда. Развитие засоленных почв обусловлено наличием солевых накоплений в ряде почвообразующих пород третичного возраста.
Характерной чертой почвенного покрова лесостепи считается его исключительно сложная структура, что обусловлено переходным характером зоны и широким распространением интразональных почв.
Почвообразующими породами являются слоистые карбонатные покровные суглинки водного происхождения, на остальной территории — субаэральные лессовидные отложения. Породы местами слабо засолены.
Преобладают сочетания черноземов, лугово-черноземных и серых лесных почв. На водоразделах и низких террасах ведущее место занимают комплексы луговых, лугово-черноземных, лугово-болотных почв различной степени засоленности. Нередко эти почвы сочетаются с солонцами и солодями. На увалах и гривах встречаются массивы серых лесных почв и черноземов. Торфяно-болотные почвы имеют ограниченное распространение.
В табл. 4 представлен качественный состав земельного фонда северной и южной лесостепи Тюменской области (Каретин,1990), которые существенно различаются по качественному составу почв в угодьях. Так, в пашне северной части преобладают автоморфные зональные почвы - серые лесные и черноземные, в южной лесостепи почти половину фонда составляют луговые почвы, причем в большинстве случаев солонцеватые. Сенокосы и пастбища в южной лесостепи расположены на сложных почвенных комплексах с участием солонцов и солодей.
Большинство типов почв обладает сравнительно высоким потенциальным плодородием и имеет удовлетворительные физико-химические свойства. Наименьшим плодородием обладают подзолистые, солоди и пойменные почвы. По механическому составу почвы (Приложения 3,4) заметно отличаются друг от друга. Наиболее благоприятный механический состав имеют лесные и черноземные почвы, среди которых чаще всего встречаются средние и легкие суглинистые разновидности. Луговые почвы и солонцы чаще всего глинистые и тяжелосуглинистые.
Из распространенных типов почв района, выделяются черноземы и лугово-черноземные. Первый тип почв относится к автоморфным -грунтовые воды глубже 6-7 м; лугово-черноземные относятся к полугидроморфным, у которых грунтовые воды находятся на глубине 3-5 м. Но оба типа имеют сходства по составу, свойствам, близкое подразделение на более низкие таксономические единицы. Кроме того, они близки и в агропроизводственном отношении.
При залегании грунтовых вод в пределах 3-4 м в лугово-черноземных почвах иногда воды входят в корнеобитаемый слой и служат дополнительным источником питания растений. Как правило, эти типы почв рассматриваются совместно, так как на крупномасштабных почвенных картах лугово-черноземные почвы практически не выделялись из-за трудности их полевой диагностики. На среднемасштабных районных картах корректировка проводилась не во всех районах и не на всех площадях.
Черноземы и лугово-черноземные почвы в пространстве сопутствуют друг другу, но все же первые приурочены к более дренированным участкам -левобережью р. Ишима, увалам и гривам в центральных районах лесостепной зоны. Лугово-черноземные почвы занимают менее дренированные территории — в пониженных участках среди черноземов на увалах и среди луговых почв. Эти почвы интенсивно используются в сельском хозяйстве и составляют 500 тыс. га, в том числе около 440 тыс. га под пашню (27%) при общей площади 561 тыс. га (11%). Под сенокосами и пастбищами находится около 50 тысяч гектаров.
Особенности зимнего сезона лесостепи Приишимья
Зима - самый продолжительный сезон в лесостепной зоне Тюменской области, когда наиболее отчетливо проявляются черты континентального климата. В этот период года господствуют континентальные ветры из областей западного отрога Азиатского антициклона. Южные и юго-западные ветры приносят холодные воздушные массы с относительно малым содержанием влаги, что приводит к значительной повторяемости ясных морозных дней.
Наиболее характерными признаками начала зимы являются время образования устойчивых морозов и устойчивого снежного покрова. Промежуток времени между датами образования устойчивых морозов и устойчивого снежного покрова считается периодом становления зимы, который относится к зимнему сезону (Рутковская, 1979). Поэтому дата образования устойчивых морозов может быть принята за начало зимы, а их прекращение — за конец зимы.
В пределах определенного типа ландшафта и отдельных природных комплексов продолжительность основных периодов со снежным покровом, как известно, один из важнейших параметров, характеризующих существование снежного покрова во времени, т.е. он оказывает большое влияние на развитие многих физико-географических процессов.Снегонакопление начинается с момента устойчивого переходаосреднесуточных температур воздуха через ОС осенью к отрицательным значениям и может заканчиваться значительно позднее установления положительных среднесуточных температур воздуха весной, когда начинается уже снеготаяние. Например, в Ялуторовске средняя датаоустойчивого перехода температуры воздуха через О С осенью и весной были 3 ноября и 11 апреля, когда морозный период составил 160 дней (табл.5).В исследуемом районе продолжительность холодного времени года, включающего указанные основные периоды со снежным покровом, по средним многолетним данным составляет 160 дней с диапазоном колебаний в отдельные годы от 130 до 175 дней.
Обычно периоду с устойчивым снежным покровом предшествует период предзимья с временными снежными покровами непродолжительного залегания, когда зимний аспект часто сменяется аспектом поздней осени.
Принято выделять следующие основные периоды со снежным покровом: предзимье, устойчивого залегания снежного покрова и послезимье. Е.А. Нефедьева, А.В. Яшина (1985) время, когда снежный покров тает, рассматривают как фазу периода его устойчивого залегания, так как процессы таяния и присущий этой фазе аспект пестрого ландшафта характеризуют разрушение устойчиво залегающего снежного покрова. Аспект снежников, рассматриваемый Н.Н. Галаховым (1959) как отдельный период, отмеченные авторы не выделяют, поскольку он является продолжением периода устойчиво залегающего снежного покрова в тех комплексах, для которых характерно его длительное залегание.
Обычно затяжным предзимьям соответствуют зимы с коротким периодом залегания устойчивого снежного покрова. Метели, сопровождающие часто снегопады, уже в период предзимья обусловливают неравномерное распределение снега по природным комплексам. Эта особенность начала зимы в лесостепи придает временным снежным покровам и всему периоду предзимья определенную значимость. Во-первых, в отдельных природных комплексах скапливаются большие массы снега, не успевающих растаять ко времени образования устойчивого снежного покрова, что предопределяет в этих комплексах различную продолжительность периода устойчивого снежного покрова. Во-вторых, неравномерное распределение величины водозапаса в периоды залегания временных снежных покровов обусловливают большое различие в увлажнении по природным комплексам. Особенно резкие различия в гидротермическом режиме возникают в годы с продолжительным холодным предзимьем, который может продолжаться до 30 дней, а температуры достигать -15-19С, временные снежные покровы могут залегать с перерывами в течение десяти дней. В бесснежных и малоснежных природных комплексах складываются очень суровые условия перезимовки биокомпонентов. Временные снежные покровы в период предзимья характерны и для малоснежных зим.
Распределение снежного покрова в лесостепи
Пространственное распределение снежного покрова на равнинах определяется неоднородностью строения подстилающей поверхности, существенно меняющейся уже на небольших расстояниях и усиливающейся хозяйственной деятельностью людей. Особую роль в распределении снега играет растительность лесостепи, во многом определяющая снежность региона.
Для выявления многолетнего хода снежности были использованы данные наблюдений станции «Ишим» и снегосъемок, проведенных нами в различных комплексах Приишимья.При анализе многолетнего хода снежности холодного периода в лесостепи были рассчитаны коэффициенты снежности с 1953 по 2003 гг. (рис.11).
Анализ полученных результатов показал, что снежность зимнего сезона в лесостепи Приишимья изменчива. Коэффициент снежности Ks (отношение ежегодных максимальных водозапасов к среднему многолетнему значению) варьирует от 0,5 до 1,9. На рис. 11 выделяется отрезок времени с 1971 по 2000 г. Изменчивость и амплитуда колебаний коэффициента снежности Ks были иными, чем до 1971 г. Новый «всплеск» снежности в 2001 году, вероятно, может свидетельствовать о наступлении нового 30-летнего цикла снежности в районе, по характеру напоминающий цикл снежности до 1971 г.Как известно важнейшим условием формирования снежного покрова является количество выпадающих на территорию зимних осадков (рис. 12).
Изменчивость зимних осадков за полувековой период времени на станции указывает на цикличность аналогичную цикличности коэффициента снежности Ks. Значительное количество осадков, выпавших в 2000 году, повторяет тенденцию повышенной снежности данной зимы как начале периода связанного с увеличением зимних осадков.Важной характеристикой снежного покрова является толщина, которая изменчива не только в пространстве, но и во времени (рис. 13).
Так на станции «Ишим» за период с 1954 по 2003 год максимальное значение декадной толщины снежного покрова достигало 68 см, а минимальное — 21 см. Среднее значение за 50-летний период составляет 33 см при амплитуде колебаний этой величины 47 см, что является весьма значительным колебанием для лесостепных ландшафтов. Это, очевидно, существенно отражается на условиях тепло - и влагообмена в системе почва-снег-воздух и на интенсивности промерзания почвогрунтов, что не может не повлиять на растительность лесостепи.
Для определения распределения снежного покрова в населенных пунктах нами были проведены снегомерные работы как в самом г. Ишиме, так и в его окрестностях в течение ряда лет (рис.14).
М.И. Щербань (1985) выделяет целый ряд разнообразных факторов, роль каждого из которых в формировании микроклиматических контрастов населенных пунктов различна. При этом в каждом отдельном случае значения контрастов элементов климата будут зависеть и от общих погодных условий, и от сезона года, от которых в значительной мере зависит относительное влияние каждого фактора.
Данные о толщине снежного покрова в городе (табл.14), полученные в период максимального снегонакопления, показывают следующее.Распределение снежного покрова в пределах города Ишима весьма неравномерно.
Коэффициент вариации толщины снега Cv изменяется в широких пределах - от 0,07, в защищенных от ветров, до 0,26 на открытых участках, ориентированных по преобладающему направлению движения ветров. Средняя толщина снежного покрова в пределах города достигала 70 см. На снегомерном маршруте ГМС «Ишим» в долине р. Мергенька на юго-западе г. Ишима толщина снега составила 66 см.Примечание: Нср, Нмах , Нміп - средняя, максимальная, минимальная толщина снежного покрова; А - амплитуда снежного покрова; 5 - среднее отклонение толщины снежного покрова; Cv - коэффициент вариации толщины снежного покрова.Наибольшая толщина снежного покрова отмечается в местах менее всего подверженных метелевому переносу (Шереметов, Шереметова, 2001).
Таковыми являются парки и внутренние дворы детских садов и школ. Следует отметить, что в парках города с хвойным древостоем средняя толщина снега близка к средней величине для всего города, причем близкие значения были отмечены и для окрестностей г. Ишима, в сосновом Синицинском Бору - 65 см. В парках с лиственным древостоем (Городской парк, Березовая Роща) толщина снега составляла 70-72 см, что близко к значениям толщины, полученным в березовом лесу южнее города г. Ишима (рис. 15).
