Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Состояние почвенно-растительного покрова в зоне подтопления Камским водохранилищем

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Состояние почвенно-растительного покрова в зоне подтопления Камским водохранилищем"

005006051

ФИЛЬКИН Тимофей Геннадьевич

СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ПОДТОПЛЕНИЯ КАМСКИМ ВОДОХРАНИЛИЩЕМ

03.02.08 - Экология (Биология)

1 5 ДЕК 2011

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Пермь-2011

005006051

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет».

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Ерёмченко Ольга Зиновьевна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Ильминских Николай Геннадьевич

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Васильев Андрей Алексеевич

Ведущая организация:

Институт экологии растений и животных УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 29 декабря 2011 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 при Пермском государственном национальном исследовательском университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, д. 15, зал заседаний Учёного Совета.

Адрес сайта: http://www.psu.ru E-mail: novoselova@psu.ru Тел.: 8(342)239-62-17 Факс: 8(342)237-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного национального исследовательского университета.

Автореферат разослан 29 ноября 2011 г. Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.189.02, доктор биологических наук, доцент

Л.В. Новоселова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Крупное гидротехническое строительство, в частности, строительство оросительных систем и водохранилищ, приводит к подтоплению обширных территорий. В результате создания водохранилищ происходит подпор грунтовых вод, уровень их повышается, что резко меняет гидрогеологические условия прилегающих территорий и приводит к заметным (а подчас и коренным) перестройкам прибрежных экосистем.

В современных руководствах по оценке воздействия гидротехнических сооружений на окружающую среду подчёркнута необходимость прогнозирования изменений в почвах и растительности под действием гидроузла (Методические указания по оценке влияния гидротехнических сооружений..., 2004). Вопросы воздействия подтопления на земли лесного и сельскохозяйственного фонда занимают центральное место в ряде технических регламентов, что определяет многие проектные и технологические решения при ведении крупного гидротехнического строительства (Инженерная защита территории от затопления и подтопления, 1988).

Проблемам влияния водохранилищ на почвенный и растительный покров подтопленных территорий посвящена обширная литература, однако подавляющее большинство публикаций было написано до начала восьмидесятых годов прошлого столетия и охватило лишь начальный период (10-20-30 лет) существования водохранилищ. Дальнейшие изменения в растительном и почвенном покрове на стадии относительной «зрелости» искусственных водоёмов остались во многом неизвестными; лишь для немногих водохранилищ были даны интегральные оценки воздействия на почвенно-растительный покров; во многих же случаях масштабы влияния и глубина преобразований почв и растительных сообществ оценены не были. Всё это обуславливает необходимость проведения дальнейших исследований почв и растительности подтопленных территорий.

В рамках темы данной работы под «состоянием» почвенного (или растительного) покрова понимался набор слагающих его компонентов как с органически присущими им характеристиками, так и с теми свойствами и особенностями, которые обусловлены воздействием рассматриваемого внешнего фактора (подтопления).

Цель работы - оценка современного состояния, выявление особенностей и закономерностей трансформации почвенно-растительного покрова прибрежных экосистем Камского водохранилища, подверженных воздействию подтопления.

Объектом исследования стали экосистемы прибрежных территорий, находящиеся под воздействием процессов подтопления,

предметом исследования - процессы и результаты трансформации почв и растительности под воздействием подтопления на побережье Камского водохранилища.

Основные задачи исследований:

1) определить границы зоны подтопления и её составные части, выделить конкретные ареалы подтопленных участков;

2) составить представление о разнообразии почв и растительных сообществ, подтапливаемых Камским водохранилищем;

3) выявить современные процессы, происходящие в почвенном покрове под влиянием подтопления водохранилищем;

4) определить главные тенденции в изменении растительности подтопленных территорий.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- определены границы зоны подтопления, в среде ГИС созданы карта почвенного покрова М 1:300 ООО и карта типов растительных сообществ М 1:200 ООО для зоны подтопления, на основе которых определены площади трансформированных экосистем (при этом различалось несколько градаций глубины изменений);

- описаны морфогенетические трансформации профилей почв, изменения интенсивности и направленности ряда почвенных процессов, индуцированных подтоплением, а также определены пространственные масштабы проявления этих изменений;

- описан ряд тенденций изменения растительного покрова; дополнены флористические списки, составленные для зоны подтопления Камским водохранилищем в 1967-1970 гг.

Практическое значение работы состоит в том, что:

- результаты пространственного анализа почвенно-растительного покрова в зоне подтопления могут быть использованы в качестве отправной точки для дальнейшего мониторинга состояния подтопленных земель;

- результаты, полученные в ходе исследования, могут быть использованы для оценки и прогноза воздействия других крупных равнинных водохранилищ лесной зоны на почвы и растительность;

- разработана оригинальная методика дешифрирования космических снимков, в основе которой лежит анализ цветовых образов участков растровых изображений;

- обнаружены ареалы четырёх почвенных разностей, редких для Пермского края, которые рекомендованы для внесения в Кадастр ценных почвенных объектов и Красную книгу почв Пермского края.

Защищаемые положения:

1. На подтопленных берегах Камского водохранилища за период его существования произошло увеличение площади болотных и полуболотных земель.

2. Незаболоченные почвы в подзоне сильного и умеренного подтопления подверглись трансформации в результате изменения интенсивности почвообразовательных процессов - подзолистого, дернового, глеевого (а также в результате действия аллювиального процесса), что отразилось на системе их морфогенентических признаков, свойствах почвенно-поглощающего комплекса, а также на показателях почвенной кислотности, ферментативной активности и дыхания.

3. В подзоне сильного и умеренного подтопления на незаболоченных территориях в несколько раз увеличилось видовое разнообразие растительности, на десятки процентов возросла доля гигрофитов и гигромезофитов.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 2009), на Всероссийской научной конференции «VIII Си-бирцевские чтения. Генезис, география, классификация почв и оценка почвенных ресурсов» (Архангельск, 2010), на международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010), на межрегиональной конференции «Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края» (Пермь, 2010).

Публикации. По теме исследований опубликовано 6 работ, в т.ч. 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК, и 1 коллективная монография.

Личный вклад соискателя состоит в том, что:

- им создана географическая информационная система (ГИС), объединившая ряд разнообразных данных о геолого-географических особенностях подтапливаемых территорий;

- по данным материалов космической съёмки, а также на основе ряда фондовых источников им созданы среднемасштабные карты почвенного и растительного покрова зоны подтопления;

- соискателем организован полный комплекс полевых работ на ряде ключевых участков, в ходе которых им осуществлялось руководство полевыми группами (наряду с непосредственным участием в проведении исследований);

- автором лично получено около половины аналитических данных - результатов лабораторных анализов почвенных образцов;

- автор также принимал участие в разработке и апробации методики дешифрирования материалов космических снимков для создания среднемасштабных карт растительного покрова.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 139 страницах машинописного текста; она состоит из введения, трёх глав, выводов. Текст содержит 11 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 102 источника. Работа снабжена рядом иллюстрированных приложений.

Благодарности. Автор искренне благодарит всех тех, кто помогал ему в проведении исследований: своего научного руководителя -0.3. Ерёмченко, а также А.И. Андреева, М.А. Корнакову, В.И. Камен-щикову, JI.B. Кувшинскую, Н.В. Митракову, С.А. Овёснова, JI.B. Ваш-панову, В.Н. Терпугова, В.М. Шустова, A.C. Малеева, И.Е. Шестакова, И.Н. Широких, И.П. Булатова, H.A. Филькину, Ю.Н. Боголюбову, JT.A.

Андрееву и А.С.Труфанова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В начале работы проведён анализ литературы по проблемам влияния крупных равнинных водохранилищ лесной зоны на почвы и растительность прилегающих территорий (этому посвящена глава 1 диссертации).

В соответствии с предметом и задачами работы из множества определений понятия «подтопление» выбрано определение Н.Г. Кото-вой (1971), как наиболее соответствующее целям и задачам данной работы: «Подтопление - комплекс изменений почвенно-растительных условий, обусловленный приближением уровня грунтовых вод к поверхности в результате влияния водохранилища». Рассмотрено, в чём заключаются механизмы влияния подтопления на почвенно-растительный покров, от каких факторов зависит характер и интенсивность проявления процессов подтопления. В частности, определено, что основными природными условиями, определяющими развитие процессов подтопления, являются: 1) уровневый режим водохранилища, 2) геологическое строение берега, 3) уровень фунтовых вод, 4) рельеф берега, 5) механический состав почвогрунтов (пункт 1.1). Этот комплекс природных условий и охарактеризован применительно к побережьям Камского водохранилища (пункт 1.2).

Для того, чтобы применять данные, полученные при изучении процессов подтопления на других водохранилищах, к Камскому, нужно определить параметры объектов-аналогов. Установлено, что наибо-

лее корректно осуществлять сравнение Камского водохранилища с другими крупными равнинными водохранилищами лесной зоны долинного (руслового) типа, на которых осуществляется сезонное регулирования стока; менее предпочтительно сравнение со средними водохранилищами (т.е. водоёмами объёмом от 0,1 до 1,0 км3 и площадью от 20 до 100 км2) и водохранилищами лесостепной зоны. Этот вывод указывает также границы применимости результатов, полученных для Камского водохранилища, к другим объектам (пункт 1.2).

В главе также изложены основные результаты почвенно-геоботанических исследований, проводившихся в долине р. Камы с целью оценки воздействия водоёма на природную среду; в частности, рассмотрены работы школы Ю.М. Матарзина, проводившиеся в 19551970 гг., работы В.П. Тихонова и новейшие работы учёных Пермского университета, выполненные в 2001-2008 гг. (пункт 1.3).

Методическая база исследований описана преимущественно в главе 2, а также в первом пункте главы 3. Одной из главных проблем на момент начала исследований стало отсутствие карт зоны подтопления Камским водохранилищем. Для разработки оптимальной методики выделения зоны подтопления проведён обзор уже существующих методик (пункт 2.1), элементы которых были использованы в дальнейшем.

Сами карты почвенного и растительного покрова подтопленных территорий создавались с помощью геоинформационных технологий. В программной среде АгсИБ 9.2 была создана географическая информационная система (ГИС) «Берега Камского водохранилища», включавшая ряд тематических слоёв, в т.ч. следующие: 1) гидрография, 2) почвы (в основу этого слоя была положена фондовая карта почв Пермской области 1979 г. масштаба 1:300 000), 3) береговые геосистемы Камского водохранилища (на основе растровой схемы геосистемной дифференциации берегов Камского водохранилища М 1:200 000, по: Назаров, Тюняткин, Фролова, 2004; Фролова, 2006) и 4) рельеф (по данным топографических карт и съёмки ЯШМ).

При выделении зоны подтопления было решено опираться на материал, полученный в результате изучения переработки берегов Камского водохранилища. На вышеупомянутой схеме геосистемной дифференциации берегов были выделены 5 групп урочищ, особенности которых делают возможным развитие процессов подтопления почв. Были выделены участки берега, занимаемые этими группами урочищ - определена первая координата зоны подтопления (простирание вдоль берега). Вторую координату (простирание вглубь берега) определяли по ключевым изолиниям рельефа местности - 110 (1,5 м

над нормальным подпорным уровнем (НПУ) водохранилища) и 113 м (4,5 м над НПУ). Ключевые изолинии обосновывались двояко: на основании данных по водохранилищам-аналогам и на основании данных полевых работ. В итоге в пределах от 0 до 1,5 м над НПУ была определена подзона сильного и умеренного подтопления, а в пределах отметок от 1,5 до 4,5 м над НПУ - подзона слабого подтопления (рис. 1). Верхняя граница обоснована также на основе средней мощности почвенного профиля (1-1,5 м) и максимальной высоты капиллярного поднятия влаги для почвогрунтов прибрежной зоны Камского водохранилища (3-3,5 м). Получено, что площадь подзоны сильного и умеренного подтопления составляет 207 км2, подзоны слабого подтопления -168 км2, зоны подтопления в целом - 375 км2. Определяя границы зоны подтопления, мы принимаем, что за период существования водохранилища она в основных чертах уже сформировалась, и можно говорить о её квазистационарности (Тихонов, 1985).

Рис. 1. Положение подзон подтопления относительно НПУ водохранилища

В пределах границ зоны подтопления проводился подсчёт площадей разных типов почв, типов растительных сообществ, заболоченных земель и др. При этом векторная карта почвенного покрова была создана на основе почвенной карты М 1:300 ООО (1979), а карта растительного покрова - на основе материалов космической съёмки, которые были дешифрированы по специально разработанной методике. Фрагменты карт почвенного и растительного покрова приведены на рисунках 2 и 3.

Для выявления и анализа современных процессов, протекающих в почвенно-растительном покрове под влиянием подтопления, был использован сравнительно-географический метод (подробное описание применённых методик дано в пункте 2.2). В прибрежной зоне

Камского водохранилища в 2009-2011 гг. был заложен ряд ключевых участков, на которых изучалось влияние процессов подтопления на почвы и растительность. В пределах каждого ключевого участка закладывались один или несколько почвенно-геоботанических профилей, объединявших почвенные разрезы на неподтапливаемых позициях, а также на участках с разной степенью подтопления. Многие разрезы с целью получения повторностей дублировались. Всего в рамках исследований было заложено 45 основных почвенных разрезов; каждый из них был подробно описан, сфотографирован, для каждого были определены координаты и взяты образцы, проводились также фотосъёмка и описание окружающей местности. Описание и диагностика почв проводилась по новой классификационной системе (Классификация и диагностика почв России, 2004). На всех основных ключевых участках с привязкой к почвенным разрезам описывалась также растительность (для каждой площадки описания составлялись видовые списки). Ряд разрезов добуривался до глубин 3-4 м с целью изучения поч-венно-грунтовых вод и почвообразующих пород. Полученные данные заносились в базу ГИС «Берега Камского водохранилища».

На основании анализа картографических материалов, а также сведений о геоморфологии камской долины (Печёркин, 1966) был сформулирован ряд базовых предположений, согласно которым все изученные ныне подтопленные почвы до создания водохранилища не испытывали сколь-нибудь существенного гидрологического влияния со стороны и были сходны с почвами соседних, несколько более повышенных участков лесопокрытой территории, которые не подвергаются подтоплению и сейчас, причём на всех основных ключевых участках до создания водохранилища произрастали леса, т.е. мы имеем дело с изначально лесными почвами. На этих предположениях и было основано дальнейшее сравнение почв и растительности подтопленных и неподтопленных территорий. Аргументы в защиту правомерности подобных допущений подробно рассмотрены в пункте 2.2 работы. Изменения, произошедшие в почвах под влиянием подтопления, оценивались по ряду критериев - во-первых, по изменению морфологических признаков, а во-вторых, по изменениям их физико-химических и биохимических свойств (пункт 2.3), в частности, в отобранных образцах определялись водное и солевое рН, гидролитическая кислотность, сумма обменных оснований, ёмкость катионного обмена, степень насыщенности обменными основаниями, содержание углерода и гумуса, гранулометрический состав, содержание подвижных (оксалатораство-римых) соединений железа, активность каталазы (общая и активность

иммобилизованной формы) и интенсивности эмиссии ССЬ (почвенное дыхание).

При анализе изменений, произошедших в растительном покрове под влиянием подтопления, использовались такие показатели, как видовое обилие, доля отдельных экологических группировок (мезофиты, гигромезофиты, гигрофиты), видовой состав этих группировок, принадлежность видов к числу доминантов, отношение видов к условиям питания и увлажнения (с использованием экологических шкал Д.Н. Цыганова).

Результаты исследований изложены в главе 3. Все подтапливаемые берега были разделены на две больших группы: 1) низкие аккумулятивные берега и 2) пологие склоны абразионных берегов с высотой клифа до 2 м и отдельные приподнятые участки низких берегов (Матарзин, 1970). Для берегов первой группы при подтоплении характерно усиление болотного процесса, а на берегах второй группы подтопление зачастую развивается и без признаков заболачивания. Берега первой группы составляют до 60% всей береговой линии Камского водохранилища (Фролова, 2006); более того, как видно из таблицы 1, в зоне подтопления преобладают именно болотные и заболоченные почвы (их площадь составляет 222 км2), распространённые, как правило, на низких аккумулятивных берегах. Почвы, не подверженные интенсивному воздействию болотного процесса (в профиле которых не проявляется процессов торфообразования и торфонакопления), занимают намного меньшую площадь (133 км2). Характер трансформации поч-венно-растительного покрова в этих двух случаях существенно различается. Поэтому материалы исследований обобщены следующим образом.

Большая часть пункта 3.1 посвящена результатам картографирования почв и растительности в зоне подтопления; в пункте 3.2 изложены результаты изучения болотных и заболачивающихся участков зоны подтопления, а в пунктах 3.3-3.6 рассмотрены процессы в почвах и растительности подтопленных, но незаболоченных участков побережий. При этом каждый пункт посвящен отдельной группе почв: пункт 3.3 - лёгким почвам, пункт 3.4 - тяжёлым почвам, а пункт 3.5 - двучленным почвам. В пункте 3.6 дан общий обзор результатов и выводов, полученных в результате изучения почв и растительности подтопленных незаболоченных территорий с выделением главных закономерностей.

По созданным картам в зоне подтопления была подсчитана площадь различных почвенных разностей и типов растительных

11ЛММ14У0-1ШУП

ILLM.II

МЧГК1Л

Рл™

{И шиш Ыежил,,

Рис. 2. Фрагмент карты почв.

Синей линией выделены подтапливаемые участки.

.lMO.lt*

\Ь 1X111

Плеханов!?- ШР

Рис. 3. Фрагмент карты типов растительных сообществ. Синей линией выделены подтапливаемые участки.

сообществ; результаты подсчёта приведены в таблицах 1 и 2. Показано, что полученная информация обеспечивает не только «инвентари-зацию»почвенных разностей и типов фитоценозов в зоне подтопления, но и план пространственной интерполяции получаемых экспериментальных данных. Так, например, если в зоне подтопления отмечается какое-либо явление, то, установив его приуроченность к определённым почвенным разностям и к определённой подзоне подтопления, можно установить примерную площадь распространения этого явления. Поэтому правомерно считать, что данные таблиц 1 и 2 позволяют судить о масштабах преобразования экосистем зоны подтопления (пункт 3.1).

Созданная ГИС обеспечила необходимую основу для одного из двух главных методов исследования - сравнительно-картографического. Одним из важных результатов исследования стал вывод об увеличении в зоне подтопления площади болотных и полуболотных земель (пункт 3.2). К этому выводу привёл анализ топографических карт долины р. Камы до и после создания водохранилища (1954 и 1986 гг. соответственно). Наряду с ними были использованы ряд схем 1934-1937 гг., в частности, геоботаническая схема долины р. Камы и её притоков, схемы расположения основных почвенных разностей, сельхозугодий и болотных массивов. Анализ картографических материалов показал, что площадь заболоченных земель в зоне подтопления увеличилась по осреднённым оценкам на 32 км2. Эти оценки были проверены данными подсчёта площадей растительных сообществ - были определены картографические единицы, соответствующие сообществам болотных и заболоченных территорий, и по ним проведён подсчёт площадей фитоценозов «гидроморфных» ландшафтов (в табл. 1 названия этих сообществ выделены жирным курсивом). Итоговая оценка заболоченных земель в зоне подтопления, полученная по созданной карте растительности, совпала с оценкой, полученной по данным топографических карт и составила 254 км2. Пространственный анализ показал, что ареалы заболоченных территорий, выделенные по данным космосъёмки и по данным топосъёмки, совпадают более чем в 80% случаев, что является удовлетворительным результатом и указывает на достаточное качество дешифровки космических снимков.

Новые участки заболоченных земель появились, во-первых, в основании заливов по крупным притокам р. Камы - Чусовой, Сылвы, Обвы, Иньвы, Косьвы, Чёрмоза - там отмечены в основном ивовые, травяные и мелколиственные (реже - хвойно-мелколиственные) сообщества в начальной стадии заболачивания с отдельными участками заливных лугов. Во-вторых, новые заболоченные участки появились в

Таблица 1. Площади различных типов растительных сообществ в зоне подтопления Камским водохранилищем

Тип растительного сообщества Площадь

км' % от зоны подтопления

1. Болота 186,2 49,6

2. Заболоченная пойма 57,7 15,4

3. Пойма 12,1 3,2

4. Сосняки, в т.ч. 25,2 6,7

4а. сосняки-кисличники 17,3 4,6

5. Пихтоельники, в т.ч. 10,0 2,7

5а. пихтоельники-кисличники подволоченные 6,2 1,7

56. пихтоельники со сложной системой водотоков 3,5 0,9

6. Елово-сосновые и сосново-еловые кисличники, черничники и зеленомошники 10,5 2,8

7. Смешанные леса, в т.ч. 6,9 1.8

7а. подволоченные 1,0 0,3

| 76. приречные 4,2 1,1

8. Березняки 4,8 1,3

| 9. Осинники березняковые 8,3 2,2

10. Прочее, в т.ч. 13,7 3,7

10а. хвойные подволоченные зеленомошники 2,8 0,7

11. Урбанизированные и агроселитебные территории 19,8 5,3

12. Земли мелких островов 19,8 5,3

Итого: 375,3 100

«аятатптаяшмктя

северной части водоёма (в основном это верховые болота). Процессы заболачивания изучались на двух ключевых участках. На участке №6 «Березники» исследовались торфяные олиготрофные почвы, сформировавшиеся на дерново-подзолистых песчаных почвах в результате активного развития болотообразовательного процесса после создания Камского водохранилища. Как удалось установить, в прошлом на этом участке произрастали сосновые леса, которые в результате создания водохранилища вымокли, были повалены и впоследствии погребены под мощной моховой толщей. Более молодые аналоги этих лесов сохранились на отдельных неподтапливаемых повышениях. На месте сосняков-черничников сформировались верховые кустарничково-сфагновые и сфагново-пушицевые болота. В ходе полевых наблюдений удалось также установить примерную скорость торфонакопления - она была оценена как 0,8-1,0 см/год (пункт 3.2).

Процессы в почвах лёгкого гранулометрического состава изучались на ключевом участке №3 «Шемети». Ключевой участок принадлежит геоботаническому подрайону южнотаёжных пихтово-еловых лесов с преобладанием осиновых и берёзовых лесов на месте темно-хвойных лесов, однако в некотором смысле он является «интразональ-ным», отражая основные черты сосновых лесов на песчаных террасах в среднем течении р. Камы. Подтопление захватило псаммозёмы гумусовые оподзоленные - слаборазвитые почвы на песчаных отложениях третьей и второй камских террас под сосняками-зеленомошниками.

При изучении морфогенетическш признаков почв подзоны сильного и умеренного подтопления было выявлено исчезновение или ослабление признаков оподзоливания в верхней части профиля, усиление насыщенности тона окраски гумусовых горизонтов (что говорит об усилении дернового процесса), появление признаков оглеения в нижней части гумусированной толщи или сразу под ней (ржавые и рыжие пятна, примазки и прожилки по ходам корней).

При изучении физико-химических и биохимических свойств подтопленных почв отмечено снижение кислотности в верхней и средней частях профиля, причём эти тенденции усиливаются при усилении процессов подтопления. Показатели и базального, и субстрат-индуцированного дыхания, как правило, были минимальны в почве подзоны сильного подтопления и максимальны в подзоне слабого подтопления, снова снижаясь в почве неподтапливаемой зоны. Общая активность каталазы отчётливо возрастает в подзоне слабого подтопления. В подгумусовых слоях почвах подзоны сильного и умеренного подтопления отмечено повышение содержания физической глины, что

может быть связано с усилением дернового процесса, диагностированного по морфологическим признакам.

Процессы в почвах тяжёлого гранулометрического состава изучались на ключевых участках №2 и №4 «Кривое (Чусовая)». Оба участка относятся к подрайону южнотаёжных пихтово-еловых лесов с преобладанием осиновых и берёзовых лесов на месте темнохвойных лесов, но здесь уже становится ощутимым соседство другого крупного подрайона - подрайона широколиственно-пихтово-еловых (подтаёжных) лесов, поэтому исследованную территорию можно рассматривать как пограничную зону. Растительность на данном участке представлена смешанными лесами, сложенными в основном липой, берёзой и осиной с примесью ели и пихты на тяжёлых (тяжелосуглинисто-глинистых) дерново-подзолистых почвах; наблюдается переход к широколиственно-хвойным и хвойно-широколиственным лесам за счёт активного участия в древостое липы, вязов и др.

Если рассматривать морфологическое строение подтопленных почв, то влияние водохранилища на почвенный покров рассматриваемой территории проявилось в первую очередь в формировании в узкой прибрежной полосе (подзоне сильного и умеренного подтопления) серогумусовых глееватых почв на лёгких аллювиальных наносах. Также было выдвинуто предположение, что дерново-буро-подзолистые почвы, обнаруженные в подзоне сильного подтопления, могут быть результатом трансформации исходных дерново-подзолистых почв. Возможный механизм этого заключается в ослаблении признаков подзолистого процесса и «затушёвывании» признаков относительно маломощного элювиального горизонта EL до такой степени, что в профиле под гумусовым горизонтом AY становится правомерно сразу выделять субэлювиальный горизонт BEL. Однако это предположение нуждается в дополнительной проверке. Признаки оглеения в подтопленных почвах проявляются только в глубоких горизонтах в виде редких слабых аморфных рыжеватых и сизоватых пятен.

При исследовании физико-химических и биохимических свойств почв было установлен ряд интересных фактов. Так, распределение активности общей каталазы в неподтопленных дерново-подзолистых почвах подчиняется аккумулятивно-элювиально-иллювиальному типу (минимум наблюдается в элювиальных горизонтах), а в подтопленной серогумусовой глееватой почве - аккумулятивному типу; это при том, что углерод (с содержанием которого тесно коррелирует активность каталазы) в профилях всех почв распределён по равномерно- или регрессивно-аккумулятивному типу. Иными словами, в зоне подтопления

произошло «размывание» элювиально-иллювиальной дифференциации признака, характерной для исходных дерново-подзолистых почв. При рассмотрении показателей дыхания почв было отмечено снижение величин базального и субстрат-индуцированного дыхания в поверхностном слое подтопленной почвы по сравнению с неподтоплен-ными; это можно объяснить процессами консервации органического вещества, тем более что в подгумусовых слоях никаких тенденций изменения данных показателей отмечено не было.

Процессы, происходящие в почвах на двучленных породах, изучались на двух ключевых участках - №0 (Ольховка) и №1 (Нижний Лух). Верхние горизонты четвертичных отложений здесь представлены элюво-делювием пермских красноцветных опесчаненных глин, перекрытых маломощным слоем древнеаллювиальных супесчаных отложений (светло-бурый нанос мощностью 0,6-0,9 м). Перемещение почвенно-грунтовых вод, подпираемых водохранилищем, осуществляется в верхнем супесчаном слое по глинистому водоупору (горизонту Б подстилающей породы). Согласно геоботаническому районированию, эти территории принадлежат подрайону южнотаёжных пихтово-еловых лесов с преобладанием осиновых и берёзовых лесов на месте темнохвойных лесов. На неподтапливаемых склоновых позициях залегают комплексы элювозёмов грубогумусовых под вторичными смешанными лесами с преобладанием ели и пихты и заметным участием берёзы и осины.

Одно из самых существенных морфогенетических изменений в почвенном покрове под действием водохранилища заключается в наличии на участках аллювиальных серогумусовых глеевых почв, сформировавшихся на исходных элювозёмах; активное участие в их генезисе принимали процессы размыва и переотложения горизонтов.

В подзоне слабого подтопления участка «Ольховка» обнаружены дерново-элювозёмы под смешанным лесом, отличающиеся от исходных элювозёмов наличием маломощного (8-9 см) серогумусового горизонта АУ, который, предположительно, развился из исходного грубогумусового горизонта АО. Формирование горизонта АУ произошло и в подзоне сильного и умеренного подтопления; в ней также во многих случаях под действием оглеения наблюдалась трансформация срединных горизонтов ЕЬ в горизонты в.

Проявления глеевого процесса в морфологическом строении рассматриваемых подтопленных почв очень многообразны, как по локализации в почвенном профиле (начиная с поверхностных слоёв до горизонтов подстилающей породы), так и по типу - рыжие и ржавые

пятна, примазки, прожилки; железомарганцевые конкреции различных окрасок и размеров; сизоватые и стальные тона в окраске горизонтов -от едва заметных до насыщенных и др. Указанные признаки относятся главным образом к почвам подзоны сильного и умеренного подтопления и резко ослабевают (вплоть до полного исчезновения) в подзоне слабого подтопления.

Что касается физико-химических и биохимических свойств двучленных почв, то в сильно подтопленных почвах по сравнению с не-подтопленными почвами и почвами подзоны слабого подтопления наблюдается снижение кислотности в верхней и средней частях профиля. Для почв обоих ключевых участков можно проследить обогащение верхней толщи (до горизонтов О) обменными основаниями (а также увеличение степени насыщенности основаниями) в подзоне сильного и умеренного подтопления. Эти изменения указывают на повышенную интенсивность дернового процесса. Отметим, что данное явление характерно только для двучленных почв; в изученных лёгких и тяжёлых почвах такого отмечено не было (в первом случае - из-за бедности песчаных почвогрунтов обменными основаниями и ограниченной точностью использованных методик анализа, во втором случае - из-за карбонатности подстилающих пород). В подгумусовых слоях всех подтопленных почв по сравнению с неподтопленной повысилась активность общей каталазы (а в почвах участка «Нижний Лух» такая же закономерность отмечена и в отношении активности иммобилизованной каталазы). Это напрямую связано со снижением кислотности в подтопленных почвах, что отражает усиление дернового процесса и ослабление подзолистого процесса, характерного для лесного почвообразования.

Для почв участка «Нижний Лух» было установлено резкое увеличение содержания подвижного (оксалаторастворимого) железа: так, для подтопленных почв оно варьировало в пределах 0,32-0,57% (в верхнем полуметровом слое), а для неподтопленных - в пределах 0,100,20%. В нижней суглинистой толще уровень мобилизации резко снижается. Эти данные указывают на то, что в верхнем слое двучленных почв интенсивно развиваются процессы оглеения (в соответствии с определением глеевого процесса, данного Ф.Р. Зайдельманом, как процесса активного несбалансированного выноса железа). Необходимо также отметить увеличение содержания тонких фракций гранулометрического состава (физической глины) в верхней супесчаной толще подтопленных почв. Подобное явление наблюдалось в изученных лёгких почвах и также может быть объяснено усилением дернового процесса.

Таким образом, во всех изученных подтопленных незаболоченных почвах произошли изменения их морфологических признаков. Характер, глубина этих изменений, а также связь их с изменениями физико-химических и биохимических свойств отражены в таблице 3. Основное допущение при составлении этой таблицы заключалось в том, что глубину трансформации почвы можно оценить по изменению её таксономического положения в существующей классификационной системе. Ранее было показано, что новая субстантивно-генетическая классификация почв России (2004) позволяет это делать (Филькин, Ерёмченко, 2011). В соответствии с этой классификацией для почв принята следующая иерархия верхних таксономических уровней: ствол - отдел — тип - подтип.

В таблицу не вошли данные по трансформирующей роли аллювиального процесса, который, с одной стороны, является геологическим, а не почвообразовательным процессом, а с другой - вызывает глубокие изменения на уровне всего почвенного профиля, что, как уже было отмечено выше, может приводить к смене таксономической принадлежности почвы на самом высоком уровне (уровне ствола).

Рис. 4. Изменения видового обилия и доли гигрофитов растительных сообществ ключевых участков в связи с подтоплением

Таблица 2. Площадь различных почвенных разностей зоны подтопления Камским водохранилищем

Подзона подтопления

Почвы сильного и умеренного слабого всего

км2 % км1 % км2 %

Аллювиальные дерновые 61,62 16,4 49,66 13,2 111,28 29,6

Торфяные низинные 42,98 11,5 49,76 13,3 92,74 24,8

Торфянисто-подзолисто-глеевые тяжелосуглинистые 27,20 7,2 31,95 8,6 59,15 15,8

Дерново-сильноподзолистые средне- и легкосуглинистые 9,81 2,6 6,69 1,8 16,50 4,4

Дерново-сильноподзолистые тяжелосуглинистые 7,44 2,0 6,08 1,6 13,52 3,6

Дерново-среднеподзолистые тяжелосуглинистые 9,18 2,4 г;77 0,7 11,95 __

Перегнойные низинные 4,72 1,3 7,17 1,9 11,89 3,2

Подзолы и сильноподзолистые песчаные и супесчаные 8,59 2,3 2,84 0,8 11,43 3,1

Подзолы и сильноподзолистые средне- и легкосуглинистые 5,55 1,5 1,65 0,4 7,20 1,9

Дерново-слабоподзолистые тяжелосуглинистые 2,84 0,8 1,19 0,3 4,03 1,1

Дерново-сильноподзолистые песчаные и супесчаные 2,46 0,7 4,26 1,1 6,72 1,8

Подзолы и сильноподзолистые тяжелосуглинистые 1,22 0,3 0,00 0,0 1,22 0,3

Дерново-среднеподзолистые средне- и легкосуглинистые 0,87 0,2 2,69 0,7 3,56 0,9

Дерново-слабоподзолистые иного механического состава 0,79 0,2 0,10 0,89 0,2

(супесчаные и среднесуглинистые)

Дерново-карбонатные глинистые 0,56 од 0,35 0,1 0,91 0,2

Прочие (дерновые, серые лесные, овражно-балочные) 1,97 0,5 0,58 0,2 2,55 0,7

Нет данных (почвы островов) 19,76 5,3 0,00 0,0 19,76 5,3

Итого: 207,56 55,3 167,74 44,7 375,30 100,0

■вшаашвпшвашаштпюаюшшшаш жшшшшттт. яшяяятяшжтгта штяхжжшгтш, жшшштт штеттжшаж яшаишш

Таблица 3. Изменения морфогенетических признаков подтопленных незаболоченных почв

Процесс Примеры изменений в морфологическом строении Уровень организации почвы Уровень изменения классификационного положения Примеры подтверждений аналитическими данными

1. Подзолистый Исчезновение белесой «присыпки», а также палевых, белесоватых пятен и тонов; исчезновение пластинчатости в структуре, смена её неясно выраженной комковатостью Отдельные горизонтные признаки Подтип «Размывание» элювиально-иллювиального распределения общей активности каталазы, суммы обменных оснований, ёмкости катионного обмена; снижение кислотности

Исчезновение горизонта ЕЬ Почвенный горизонт Тип

2. Дерновый Усиление насыщенности серого тона гумусового горизонта Отдельные горизонтные признаки Не изменяется Снижение кислотности, накопление физической глины, увеличение суммы обменных оснований и степени насыщенности основаниями, повышение общей активности каталазы в подповерхностных слоях

Смена грубогумусовых горизонтов (АО) серогумусовыми (АУ) Почвенный горизонт Тип

3. Глеевый Появление ржавых пятен и примазок, сизоватых пятен и тонов, железомарганцевых конкреций Отдельные горизонтные признаки Подтип Резкое увеличение содержания подвижного железа

Формирование глеевых горизонтов (С) Почвенный горизонт, почвенный профиль Тип, отдел

Приведём пример того, как могут быть оценены пространственные масштабы описанных явлений. Например, отмечено снижение кислотности в верхней и средней (а иногда и нижней) частях профилей ряда изученных почв. Было установлено, что это явление характерно для лёгких и двучленных почв подзоны сильного и умеренного подтопления. Возможно, что оно может наблюдаться и в тяжёлых почвах, однако на выбранных ключевых участках этого не было обнаружено (предположительно, из-за карбонатности подстилающих пород). Согласно таблице 1, лёгкие и двучленные почвы подзоны сильного и умеренного подтопления могут занимать площадь до 30 км2 (площадь мелких островов из подсчёта исключена).

При изучении растительности незаболоченных территорий были выявлены две главные тенденции: в подзоне сильного и умеренного подтопления наблюдается резкое (в среднем в 2-3 раза) увеличение обилия видов и заметное (на 18-30%) увеличение доли гигрофитов и гигромезофитов (рис. 4). Для лесных сообществ той же подзоны отмечено также активное развитие подроста или подлеска.

В ходе более ранних исследований растительности зоны подтопления Камским водохранилищем был составлен флористический список, включавший 147 обнаруженных видов, 67 из которых относятся к группам гигрофитов и гигромезофитов (Сорокина, 1970). В ходе нашего исследования найдено ещё 22 вида, не упомянутых в этом списке. Возможно, что, по крайней мере, часть этих видов появилась в период с 1970 по 2010 гг.

В качестве итога укажем, что отчётливые изменения в почвенно-растительном покрове на незаболоченных берегах проявляются только в подзонах сильного и умеренного подтопления. Для Камского водохранилища площадь таких территорий составляет около 35 км2. В подзоне слабого подтопления (площадь которой для Камского водохранилища с вычетом заболоченных участков составляет не менее 29 км2) у почв наблюдаются лишь изменения на уровне отдельных признаков глубоких горизонтов (связанные с развитием глеевого процесса), а в растительных сообществах констатировано отсутствие структурных изменений (при этом могут отмечаться изменения, касающиеся бонитета древостоев, густоты травостоев и т.п.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В пределах зоны подтопления Камским водохранилищем, имеющей площадь 375 км2, широко представлены болотные и заболоченные участки, занимающие 254 км2, причём около 32 км2 из них приходится на болотные и полуболотные массивы, сформировавшиеся после создания водоёма.

2. Скорость трансформаций заболачивающихся почв в случае заболачивания по верховому типу во многом определяется скоростью нарастания/отмирания мохового слоя, которая может достигать 1 см/год и более.

3. В незаболоченной части подзоны сильного и умеренного подтопления, расположенной на высотных отметках 108,5-110,0 м и занимающей площадь 51 км2, отмечен ряд изменений в почвах, связанных с ослаблением подзолистого процесса, усилением дернового процесса, развитием глеевого процесса, а местами - с проявлениями аллювиальных процессов.

4. Ослабление подзолистого процесса диагностировано по особенностям морфологического строения на уровне отдельных признаков почвенного горизонта, а также по изменению ряда физико-химических и биологических свойств, в числе которых - реакция среды, сумма обменных оснований, ёмкость катионного обмена, общая активность каталазы.

5. Усиление дернового процесса диагностировано по особенностям морфологического строения, как на уровне отдельных признаков почвенного горизонта, так и на уровне почвенного горизонта в целом, что подтверждается изменениями таких физико-химических и биологических свойств, как реакция среды, содержание физической глины, общая активность каталазы.

6. Развитие глеевых процессов, диагностируемое по морфологическим особенностям, может происходить на уровне отдельных признаков почвенного горизонта, на уровне почвенного горизонта в целом и на уровне всего почвенного профиля, что приводит к изменениям таксономического положения почв на уровне подтипа, типа и отдела соответственно. Морфологические признаки интенсивного развития глеевого процесса в ряде случаев подтверждаются высокими уровнями мобилизации железа в исследованных почвах.

7. В почвах на лёгких и двучленных породах подзоны сильного и умеренного подтопления (т.е. на площади не менее 30 км2) зафиксировано снижение кислотности в верхних и средних частях профилей, что отражает изменение соотношения дернового и подзолистого процессов в сторону увеличения роли первого.

8. Доказана возможность формирования одной почвы на другой, например, аллювиальных серогумусовых глеевых почв на элювозёмах; торфяных олиготрофных почв на дерново-подзолистых почвах.

9. В подзоне сильного и умеренного подтопления на изученных незаболоченных территориях на площади около 35 км2 отмечено резкое увеличение (в среднем в 2-3 раза) видового разнообразия растительных сообществ и заметное (на 18-30%) увеличение доли гигрофитов и гигромезофитов. В лесных сообществах наблюдается активное развитие подроста или подлеска. Для почв на лёгких (и, в меньшей степени, на двучленных) породах отмечено увеличение доли видов, более требовательных к условиям питания.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Ерёмченко О.З., Филькин Т.Г. Эволюция подзолистых и дерново-подзолистых супесчаных почв в зоне подтопления Камским водохранилищем // Эволюция почвенного покрова. Труды V Международной конференции. Пущино: ИФХиБПП РАН, 2009. С. 126-127.

2. Ерёмченко О.З., Филькин Т.Г., Шестаков И.Е. Редкие и исчезающие почвы Пермского края. Пермь: Пермское книжное издательство, 2010. 92 с.

3. Филькин Т.Г. Об изменениях в почвах и почвенном покрове зоны подтопления Камским водохранилищем // VIII Сибирцевские чтения. Генезис, география, классификация почв и оценка почвенных ресурсов: материалы всероссийской научной конференции. Архангельск: КИРА, 2010. С. 141145.

4. Филькин Т.Г. Об оценке площадей почв, подтопленных Камским водохранилищем // Антропогенная трансформация природной среды: материалы международной конференции. Пермь. 2010. Т.1, 4.2. С. 303-308.

5. Филькин Т.Г., Ерёмченко О.З. Трансформация морфогенетических признаков почв в зоне подтопления Камским водохранилищем // Вестник Удмуртского университета. Серия Биология. Науки о Земле. Ижевск, 2011. Вып. 2. С. 20-30. (издание, рекомендованное ВАК)

6. Филькин Т.Г., Ерёмченко О.З. Влияние процессов подтопления на кислотность почв прибрежной зоны Камского водохранилища // Вестник Пермского университета. Серия Биология. Пермь, 2011. Вып. 2. С. 41-45.

ФИЛЬКИН Тимофей Геннадьевич

СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ПОДТОПЛЕНИЯ КАМСКИМ ВОДОХРАНИЛИЩЕМ

03.02.08 - Экология (Биология)

Подписано в печать 24.11.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 1983/2011.

Отпечатано с готового оригинал-макета в Центре «Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета» Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342)219-80-33.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Филькин, Тимофей Геннадьевич, Пермь

61 12-3/398

ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

На правах рукописи

Филькин Тимофей Геннадьевич

СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ПОДТОПЛЕНИЯ КАМСКИМ ВОДОХРАНИЛИЩЕМ

Специальность 03.02.08 - Экология (Биология)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: профессор, д.б.н., Ерёмченко 0.3.

Пермь-2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4

Глава 1. Проблемы воздействия крупных водохранилищ лесной зоны Европейской территории России (ЕТР) на почвенно-растительный покров прибрежных территорий........................................................................11

1.1. Общая схема влияния процессов подтопления водохранилищами лесной зоны на почвы и растительность.............................................12

1.2. Природные условия побережий Камского водохранилища в сравнении с природными условиями прибрежных территорий

других водохранилищ ЕТР..............................................................17

1.3. Краткий обзор почвенно-геоботанических исследований

в прибрежной зоне Камского водохранилища.......................................22

Глава 2. Методы исследований..............................................................32

2.1. Краткий обзор методик выделения

зон подтопления водохранилищами..................................................32

2.2. Программа и методика полевых почвенно-геоботанических работ.......36

2.3. Программа аналитических (лабораторных) исследований.................44

Глава 3. Современные процессы в почвенно-растительном покрове

зоны подтопления Камским водохранилищем............................................47

3.1. Анализ картографических материалов и данных дистанционного зондирования (ДДЗ) в среде ГИС и его результаты................................47

3.1.1. Методика анализа данных..................................................47

3.1.2. Результаты анализа почвенного покрова в среде ГИС...............56

3.1.3. Результаты анализа растительного покрова в среде ГИС...........64

3.2. Процессы в почвенно-растительном покрове

подзоны заболачивания и их пространственные масштабы......................65

3.2.1. Сравнительная оценка масштабов заболачивания до и после создания Камского водохранилища.............................................69

3.2.2. Оценка скорости торфонакопления......................................72

3.3. Процессы в почвах лёгкого гранулометрического состава

(зона южнотаёжных хвойных и хвойно-мелколиственных лесов)..............77

3.3.1. Изменения в растительном покрове в связи с изменениями прибрежных экосистем..........................................:...................78

3.3.2. Изменение морфогенетических признаков почв.....................80

3.3.3. Изменение физико-химических и биологических свойств

почв.....................................................................................82

3.4. Процессы в почвах тяжёлого гранулометрического состава

(переход к зоне подтаёжных широколиственно-хвойных лесов)...............88

3.4.1. Изменения в растительном покрове в связи с изменениями прибрежных экосистем.....................................................................90

3.4.2. Изменение морфогенетических признаков почв.......................92

3.4.3. Изменение физико-химических и биологических свойств

почв.....................................................................................94

3.5. Процессы в почвах на двучленных породах

(зона южнотаёжных хвойных и хвойно-мелколиственных лесов).............100

3.5.1. Изменения в растительном покрове в связи с изменениями прибрежных экосистем....................................................................102

3.5.2. Изменение морфогенетических признаков почв......................105

3.5.3. Изменение физико-химических и биологических свойств

почв....................................................................................111

3.6. Обобщение и обсуждение результатов изучения почв и растительности незаболоченных территорий...................................................120

ВЫВОДЫ.........................................................................................129

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Крупное гидротехническое строительство, в частности, строительство оросительных систем и водохранилищ, приводит к подтоплению обширных территорий. В результате создания водохранилищ происходит подпор грунтовых вод, уровень их повышается, что резко меняет гидрогеологические условия прилегающих территорий и приводит к заметным (а подчас и коренным) перестройкам прибрежных экосистем.

В современных руководствах по оценке воздействия гидротехнических сооружений на окружающую среду подчёркнута необходимость прогнозирования изменений в почвах и растительности под действием гидроузла (Методические указания по оценке влияния гидротехнических сооружений..., 2004). Вопросы воздействия подтопления на земли лесного и сельскохозяйственного фонда занимают центральное место в ряде технических регламентов, что определяет многие проектные и технологические решения при ведении крупного гидротехнического строительства (Инженерная защита территории от затопления и подтопления, 1988; Прогнозы подтопления и расчёт дренажных систем..., 1991).

Проблемам влияния водохранилищ на почвенный и растительный покров подтопленных территорий посвящена обширная литература, однако подавляющее большинство публикаций было написано до начала восьмидесятых годов прошлого столетия и охватило лишь начальный период (10-20-30 лет) существования водохранилищ. Дальнейшие изменения в растительном и почвенном покрове на стадии относительной «зрелости» искусственных водоёмов остались во многом неизвестными; не были сформированы и надёжные оценки темпов и скоростей подобных процессов. Лишь для немногих водохранилищ были даны интегральные оценки воздействия на почвенно-растительный покров; во многих же случаях масштабы влияния и глубина преобразований почв и растительных сообществ оценены не были.

Пик крупного гидротехнического строительства в нашей стране пришёлся на пятидесятые-семидесятые годы прошлого столетия. К началу восьмидесятых годов на территории бывшего СССР водохранилищами было затоплено более 80 тыс. км

4

'Л

(Авакян, 1999) и более 5 тыс. км оказалось в зонах подтопления (Лигун, Макарова, Смирнова, 1977). И до сих пор оценки влияния водохранилищ на экосистемы и хозяйство остаются неоднозначными (Авакян, 1999); на прибрежных территориях сохраняются многие проблемы природопользования (Черезов, 2006). Сейчас констатируется низкая степень освоения экономического гидроэнергопотенциала России -по состоянию на 1998 г. всего 18% (Троицкий, 2003). Поэтому в будущем планируется заметное возрастание темпов гидротехнического строительства, и, как следствие, рост площади затопленных и подтопляемых территорий (Генеральная схема..., 2008). Так, например, при строительстве Чебоксарского водохранилища было затоплено 1118 км2 земель, а 307 км2 оказались в условиях подтопления. При планирующемся повышении его нормального подпорного уровня (НПУ) с 63 м до 68 м будет

2 2 затоплено ещё 1044 км , а площадь зоны подтопления увеличится на 406 км (Обоснование инвестиций..., 2006). В результате подъёма НПУ Нижнекамского водохранилища (Генеральная схема..., 2008) площадь затопления увеличится примерно на

О 9

1500 км , причём около половины этой площади (710 км ) составят сельхозугодия.

Сейчас у специалистов нет согласия относительно оценки предстоящего (и уже нанесённого) ущерба земельному фонду и растительности различных угодий. Всё это требует углублённых исследований воздействия водохранилищ на почвенный и растительный покров прибрежных территорий.

В рамках темы данной работы под «состоянием» почвенного (или растительного) покрова понимался набор слагающих его компонентов как с органически присущими им характеристиками, так и с теми свойствами и особенностями, которые обусловлены воздействием рассматриваемого внешнего фактора (подтопления).

Цели и задачи исследования

Цель работы - оценка современного состояния, выявление особенностей и закономерностей трансформации почвенно-растительного покрова прибрежных экосистем Камского водохранилища, подверженных воздействию подтопления.

В число задач исследования входило: 1) определить границы зоны подтопления и её составные части, выделить конкретные ареалы подтопленных участков;

2) составить представление о разнообразии почв и растительных сообществ, подтапливаемых Камским водохранилищем;

3) выявить современные процессы, происходящие в почвенном покрове под влиянием подтопления водохранилищем;

4) определить главные тенденции в изменении растительности подтопленных территорий.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования стали экосистемы прибрежных территорий, находящиеся под воздействием процессов подтопления; предметом исследования - процессы и результаты трансформации почв и растительности под воздействием подтопления на побережье Камского водохранилища.

Методологическая и теоретическая основа исследования

Общетеоретическую основу исследований составили труды ведущих отечественных специалистов-географов, занимавшихся изучением водохранилищ: А.Б. Авакяна, С.Л. Вендрова, К.Н. Дьяконова, А.Ю. Ретеюма и др. При разработке вопросов влияния водохранилища на почвенный покров прибрежных территорий мы опирались на работы целого ряда учёных-почвоведов, внёсших большой вклад в изучение процессов подтопления почв: С.А. Владыченского, Г.В. Добровольского, Я.М. Гаджиева, А.Г. Емельянова, Н.Г. Котовой, В.И. Кулагиной, Г.А. Одноралова, В.М. Стародубцева, JI.B. Яковлевой и др. Важную роль при проведении исследований сыграли работы пермских специалистов в области геоморфологии, инженерной геологии и гидрологии водохранилищ: Ю.М. Матарзина, А.И. Печёркина, В.П. Тихонова, H.H. Назарова и др. Нельзя не упомянуть и ещё нескольких пермских исследователей, материалы которых были широко использованы в настоящей работе, в частности, почвоведа A.A. Лютина, геоботаников М.М. Данилову и Н.Б. Сорокину.

Материальная и информационная база исследования

Исследования в долине р. Камы и её притоков в связи с созданием Камского водохранилища были начаты в 1934-1937 гг. Для этих целей на базе Биологического НИИ при Пермском государственном университете была создана Камская почвен-но-геоботаническая экспедиция. Её силами проводилось предварительное обследо-

вание территории, предполагаемой к затоплению и подтоплению. К сожалению, результаты исследований оказались отчасти обесценены последующими изменениями в инженерном проекте: НПУ водохранилища был увеличен на 2,2 м (а впоследствии ещё на 0,5 м), и большая часть исследованной территории (которая предполагалась лишь к подтоплению) оказалась в зоне затопления. Впрочем, частью материалов Камской экспедиции с некоторыми оговорками можно пользоваться (Матарзин, 1970), что и было сделано в рамках данного исследования. Важную роль сыграли исследования, проведённые пермскими школами гидрогеологов и инженерных геологов на побережьях камских водохранилищ в пятидесятых-семидесятых годах прошлого века под руководством Ю.М. Матарзина и И.А. Печёркина. Лишь в 20012003 гг. в Пермском государственном университете были возобновлены исследования почв прибрежной зоны Камского водохранилища с целью изучения вопросов эволюции почвенного покрова в зоне подтопления. В 2008-2011 гг. эти исследования были продолжены на базе лаборатории ботаники и экологии почв Естественнонаучного института (ЕНИ) Пермского университета. Были также задействованы фондовые материалы кабинета почвоведения Пермского университета и привлечены материалы сотрудников географического факультета, долгое время изучавших экзогенные геологические процессы на побережьях Камского водохранилища (Назаров, Тюняткин, Фролова, 2004; Фролова, 2006; Назаров, 2008).

Научная новизна исследования

Камское водохранилище в отношении влияния на почвенно-растительный покров прибрежных территорий является одним из наиболее хорошо изученных объектов. С другой стороны, абсолютное число оригинальных публикаций на данную тему невелико; почти все они написаны также в шестидесятых годах прошлого века и обобщены в докторской диссертации пермского исследователя, основателя гидрологии водохранилищ Ю.М. Матарзина (1970), а также в кандидатской диссертации Н.Б. Сорокиной (1970).

В ходе исследований были определены границы зоны подтопления, в среде ГИС созданы карта почвенного покрова М 1:300 000 и карта типов растительных сообществ М 1:200 000 для зоны подтопления, на основе которых определены пло-

щади трансформированных экосистем (при этом различалось несколько градаций глубины изменений). Были описаны морфогенетические трансформации профилей почв, изменения интенсивности и направленности ряда почвенных процессов, индуцированных подтоплением, а также определены пространственные масштабы проявления этих изменений; зарегистрирован ряд тенденций изменения растительного покрова; дополнены флористические списки, составленные для зоны подтопления Камским водохранилищем в 1967-1970 гг.

Практическая значимость исследования

По результатам исследования в среде ГИС составлены среднемасштабные карты растительного и почвенного покрова зоны подтопления Камским водохранилищем; это обеспечивает надёжную отправную точку для дальнейшего мониторинга состояния подтопленных земель.

Результаты, полученные в ходе исследования, могут быть использованы для оценки и прогноза воздействия других крупных равнинных водохранилищ лесной зоны на почвы и растительность, в т.ч. (с определёнными поправками) для водохранилищ Сибири и Дальнего Востока.

Для решения задач, поставленных в данном исследовании, была разработана оригинальная методика дешифрирования космических снимков, в основе которой лежит анализ цветовых образов участков растровых изображений. Эта методика позволяет осуществлять (при правильном подборе серии эталонов) полностью автоматизированное дешифрирование растительного покрова обширных территорий (до нескольких десятков тысяч км2) с получением среднемасштабных карт, достаточно адекватно отражающих структуру растительного покрова изучаемого района.

Для выделения ареалов различных почв и растительных сообществ в пределах зоны подтопления потребовалось закартировать намного большие площади; так, в настоящий момент мы располагаем картой типов растительных сообществ М 1:200 ООО на территорию свыше 8 тыс. км и картой почв М 1:300 000 на весь Пермский край (отдельные фрагменты этих карт переданы нескольким проектным и производственным структурам, в частности, ООО «НПФ Землемер» и лаборатории геологического моделирования и прогноза ЕНИ Г1ГНИУ).

В ходе полевых работ были обнаружены ареалы четырёх почвенных разностей, редких для Пермского края, в частности, дерново-подзолистые почвы на плотных карбонатных породах, дерново-буро-подзолистые почвы, псаммозёмы и элюво-зёмы на элюво-делювии пермских красноцветных глин. Все эти почвы рекомендованы к включению в Кадастр ценных почвенных объектов (ЦПО) и Красную книгу почв Пермского края. Необходима дальнейшая работа по выявлению их ареалов, определению границ конкретных ЦПО и разработка мер по их сохранению.

Предложено внести дополнение в классификационную систему почв России, а именно, дополнить отдел глеевых почв типом серогумусовых глеевых почв с формулой профиля AY-G-CG.

Апробация результатов исследования

Основные результаты исследований были доложены на Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 2009), на Всероссийской научной конференции «VIII Сибирцевские чтения. Генезис, география, классификация почв и оценка почвенных ресурсов» (Архангельск, 2010), на международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010), на межрегиональной конференции «Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края» (Пермь, 2010).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. На подтопленных берегах Камского водохранилища за период' его существования произошло увеличение площади болотных и полуболотных земель.

2. Незаболоченные почвы в подзоне сильного и умеренного подтопления подверглись трансформации в результате изменения интенсивности почвообразовательных процессов - подзолистого, дернового, глеевого (а также в результате действия аллювиального процесса), что отразилось на системе их морфогенентических признаков, свойствах почвенно-поглощающего комплекса, а также на показателях почвенной кислотности, ферментативной активности и дыхания.

3. В подзоне сильного и умеренного подтопления на незаболоченных территориях в несколько раз увеличилось видовое разнообразие растительности, на десятки процентов возросла доля гигрофитов и гигромезофитов.

Благодарности

Основная часть представляемой работы выполнена на базе научно-исследовательской лаборатории ботаники и экологии почв Естественнонаучного института Пермского государственного университета (ЕНИ П