ПО ДАННЫМ КОМПЛЕКСНОГО ПАЛЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
1
Курьина И.В.,
1Веретенникова Е.Э.,
2Ильина А.А.
1Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск, Россия
2Институт химии нефти СО РАН, Томск, Россия E-mail: irina.k uryina@yandex.ru
Торфяные залежи болот являются ценным природным объектом, хранящим информацию об усло- виях прошлого. Болота очень распространены на территории Западно-Сибирской равнины. В подзоне юж- ной тайги наряду с верховыми болотами, которые занимают преимущественно водораздельные простран- ства, большую распространенность получили и низинные болота.Они обычно приурочены к долинам рек и занимают поймы и первые террасы [1].
Несмотря на большое число экспедиций по болотам центральной части Западно-Сибирской рав- нины в 60-70-х гг. прошлого столетья [4], сведения о развитии низинных террасных болот остаются не- многочисленными.
Представляет интерес не только история развития низинных болот, но и их чувствительность к воз- действию изменений климата.
Цель нашего исследования – выявление отклика свойств торфяной залежи низинногоболота на кли- матические вариации в голоцене.
Для исследований нами выбран болотный массив Самара, расположенный на первой надпойменной террасе левого пологого берега реки Бакчар (56°55' с.ш., 82°30' в.д.). Район исследований находится в пре- делах южнотаежной подзоны Западной Сибири на левобережье реки Оби. Открытая часть болота занимает площадь около 120 га.Торфяной разрез заложен на расстоянии 100 м от окраины болотного массивав ерниково-осоково-гипновом фитоценозе. Мощность торфяной залежи в данной точке составляет 350 см.
Торфяные отложения подстилаются карбонатными суглинками и глинами.
Отбор образцов торфа на болоте произведен ручным геологическим буром ТБГ–1 послойно с ин- тервалом 10см.
Радиоуглеродное датирование образцов торфа выполнено в лаборатории геологии и палеоклимато- логии кайнозоя в Институте геологии и минералогии СО РАН Л.А.Орловой и в лаборатории биоинфор- мационных технологий ИМКЭС СО РАН Г.В. Симоновой на Quantulus 1220 (350 см - 7620 ± 130 лет; 270 см - 4740 ± 40; 210 см - 4255 ± 40; 170 см - 3865 ± 40; 70 см - 3045 ± 40). Полученные даты откалиброваны при помощи программы CALIB 7.1. (http://calib.qub.ac.uk/calib/). В дальнейшем по тексту используются данные калиброванного возраста в системе исчисления ВР (от настоящего времени).
Ботанический анализ торфа проведен по стандартной методике к.б.н. Е. М.Волковой (Тульский государственный университет, г. Тула). Зольность торфа определена путем сжигания в соответствии с тре- бованиями ГОСТа 11306-83.
Для выявления локальной динамики увлажнения на исследуемом участке применен метод опреде- ления степени гумификации торфов (индекс Ih) [8] и реконструкции показателя глубины уровня болотных вод (УБВ) по данным ризоподного анализа.
Для ризоподного анализа из каждого слоя торфяного разреза (шаг 10 см) взяты пробы сырого торфа объемом 2-3 см3. Подготовка этих проб к анализу проводилась стандартным методом [5]. Пробыпросмат- ривали под бинокулярным световым микроскопом при 200-400-кратном увеличении, в каждой из них насчитывали не менее 300 экземпляров раковинок амеб. Обнаруженные раковинки идентифицировали при помощи определителей [2, 6].
Расчет уровня болотныхвод (УБВ) произведен на основе экологических оптимумов видов раковин- ных амеб по отношению к УБВ при помощи переходной функции [9] (программное приложение PAST 1.87). Экологические видовые оптимумы определены в ходе исследования сообществ раковинных амеб, населяющих данное болото в современных условиях (объем обучающей выборки составил 45 проб с по- верхности болота).
В качестве индикаторов условий прошлого использованы и отдельные физико-химические пара- метры структуры гуминовых кислот (ГК): оптическая плотность ГК при разных длинах волн Е465и Е650 и рассчитанный на их основе коэффициент Е4/Е6 и отношение оптических плотностей полос поглощения при А2925(Сalif) и А1640(Сar) по данным ИК-спектроскопии. Значения этих параметров обусловлены термо- динамической обстановкой, при которой формировались гуминовые кислоты, и не меняются с течением времени. В сухих и теплых условиях образуются ГК, отличающиеся низкими значениями коэффициента Е4/Е6 и отношения Сalif/Car; в холодных и влажных условиях – наоборот, высокими значениями коэффици- ентов [3].
Извлекали ГК 0,1 н раствором NaOH без нагревания, осаждали из экстракта 10% раствором HCl, отмывали водой до нейтральной реакции и высушивали при комнатной температуре. Регистрацию элек- тронных спектров поглощения 0,001%-ных водных растворов ГК проводили на УФ-спектрофото- метре UVIKON 943 в диапазоне длин волн 190-700 нм. Регистрацию ИК-спектров ГК проводили на ИК- Фурье-спектрометре Nikolet 5700, анализ образцов проводили по методу прессования с KBr в отношении 1:100 соответственно, в интервале значений частоты от 500 до 4000 см-1.
Возраст торфяных отложений в точке отбора разрезасоставляет 8500 кал.лет. Торфяная залежь це- ликом сложена низинным торфом. Нижний слой торфа (350–210 см) – низинный травяной, (210–60 см) – низинный гипново-осоковый с прослойкой гипнового торфа (180–140 см), верхний слой залежи (60–0 см) сложен низинным травяным и осоковым видами торфа.
Результаты реконструкции гидрологических условий на болоте выявили высокийуровень согласо- ванности динамики показателей УБВ и Ih торфа(рис.). Увеличение значений этих показателей отражает периоды снижения обводненности болота, а уменьшение – повышения уровня обводненности. Важно от- метить, что отдельные вариации показателей УБВ и Ih соответствуют кратковременным (вековым) коле- баниям влажности климата, выявленным для данного района исследования в другой работе [7].
Количество ГК в торфе в исследуемом разрезе меняется в широком диапазоне (от 41,71 до 151,37 мг/кг торфа) (рис.). Период 8500–6200 кал.л.н. характеризуется низким содержанием ГК, затем чего их количество постоянно росло, за исключением периода 4500–4200 кал. л. н., когда количество ГК резко уменьшилось.
Коэффициент Е4/Е6характеризуется низкими значениями в периоды 7400–7000, 5200–4600, 3200–
2300 кал. л.н.Согласно данным ИК-спектроскопии, ГК этих слоев характеризуются увеличением доли ароматических фрагментов и соответственным уменьшением отношения Сalif/Car (рис.). Такая «зрелая» структура ГК указывает на то, что процесс гумусонакопления происходил втеплых условиях при пони- женном уровне обводненности болота.
Высокие значения коэффициента Е4/Е6, свидетельствующие о крайне низкой ароматичности ГК и разветвленном строении периферической части молекулы, выявлены в периоды 6600–5200, 4300–3800, 3500–3300 кал. л.н.Отличительной чертой ГК торфов, сформированных в эти временные интервалы, осо- бенно 4300–3800 кал. л. н., является высокое значение отношения Сalif/Car, которое достигло практически 1, что является свидетельством развитости периферической части молекулы при малом участии связей бензоидных структур. Такие характеристики ГК могут свидетельствовать, что их образование пришлось на более холодные и влажные условия.
Вцелом, тренд гумусонакопления, отражающийся в соответствующих свойствах ГК, хорошо согла- суется с трендом палеогидрологического режима (УБВ и Ih), что подтверждает взаимообусловленность этих двух процессов.
Рис. Динамика значений гидрологическихпоказателей (УБВ, Ih), зольности, содержания ГК и физико-хими- ческих параметров структуры ГК (E4/E6, Calif/Car) в торфяном разрезе болота Самара.
Линией серого цвета обозначено пороговое значение нормальнозольных торфов.
В целом, выделено несколько этапов формирования торфяных отложений. Начальный этап болото- образования на исследуемом участке (8500–4600 кал. л. н.) соответствует по времени атлантическому пе- риоду голоцена, который отличался более влажными и теплыми условиями по сравнению с современными [7]. Анализ свойств ГК позволил установить, что формирование торфяной залежи происходило в теплых условиях. Показатели УБВ и Ih отражают довольно влажные условия среды на болоте. Наблюдаются ко- лебания значений Ih и УБВ, однако, в общем, их значения повышены. На данном этапе торфяная залежь отличалась небольшой мощностью. Болото подвергалось сильному влиянию реки. Происходили его регу- лярные подтопления речной водой во время половодий. Вместе с водами реки осуществлялся дополни- тельный привнос минеральных компонентов на болото, что отразилось на повышении зольности торфов (до 31%). Кроме того, постоянный приток речных наносов препятствовал аккумуляции гумусовых ве- ществ, поэтому придонные слои торфа отличаются низким содержанием ГК. Также возможен постоянный вынос ГК из профиля формирующейся залежи болота. Таким образом, локальный экзогенный фактор имел первостепенное значение на данном этапе формирования болота. Влияние климата выражалось в измене- нии уровня притока поступающих на болото вод, который, в конечном счете, зависит от количества осад- ков.
Второй этап в формировании торфяной залежи (4600–3500 кал.л.н.) соответствует суббореальному периоду голоцена. В это время климат в целом становится суше и холоднее [7]. Изменение физико-хим и- ческих свойств структуры ГК отражает изменение тепла и влаги в этот период и показывает, что развитие торфяной залежи происходило в условиях меньшей теплообеспеченности. Несмотря на снижение влажно- сти климата, на болоте наблюдается наиболее высокий уровень обводненности за всю историю формиро- вания торфяной залежи. Значение Ih уменьшается, колебания не выражены, значения УБВ варьируют, од- нако в среднем показатель УБВ становится ниже. По-видимому, нарастание торфяной залежи способство- вало аккумуляции большого объема воды в торфе и привело к локальной переобводненности данного участка на террасе. Влияние реки ослабло, так как поверхность болота стала выше уровней ежегодных паводков. С другой стороны, уменьшение общей увлажненности климата для региона в целом привело к снижению уровня воды в реке. Роль этих процессов отразилась и на поступлении минеральных веществ на болото, в результате чего были сформированы торфа со свойственной конституционной зольностью растений-торфообразователей. Таким образом, на данном этапе ключевая роль принадлежит эндогенному фактору болотообразовательного процесса.
Третий период формирования торфяной залежи (3500–0 кал.л.н.) соответствует концу суббореаль- ного – субатлантическому периодам голоцена. В это время климатические условия характеризуются зна- чительными кратковременными колебаниями температуры и влажности [7]. Степень обводненности бо- лота, судя по значениям УБВ и Ih, несколько снижается, наблюдаются вариации его водного режима.
Наиболее вероятно, этивариации зависят от уровня поверхностного стока, который в свою очередь опре- деляется колебаниями влажности климата. Также наблюдается и варьирование значений физико-химиче- ских параметров структуры ГК. На этом этапе колебания водного режима не могут быть объяснены эндо-
генными причинами болотообразования. На наш взгляд, они обусловлены изменениями влажности кли- мата. Потому что при эндогенном болотообразовании свойства торфяной залежи меняются постепенно и однонаправленно.
Климатические условия голоцена отразились в различных свойствах торфяных отложений низин- ного болота. Мы пришли к заключению, что роль климата была существенной в течение всего формиро- вания торфяной залежи. На первом этапе высокая влажность климата способствовала запуску болотооб- разовательного процесса, а также обусловила повышенную обводненность реки и ее сильное влияние на формирующееся болото; затем более значимым оказался эндогенный фактор болотообразования, так как изменение климатических условий привело к ослаблению действия реки; на следующем этапе влияние флуктуаций климата на свойства торфяной залежи снова стало более явным.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-34-60057) и гранта Томского научного центра СО РАН.
Литература:
1. Барышников М.К. Осоково-гипновые болота Западного Васюганья // Бюлл. Института луговой и болотной культуры им. проф. В.Р.Вильямса. М., 1929. С. 1–38.
2. Гельцер Ю. Г., Корганова Г. А. , Алексеев Д. А. Практическое руководство по идентификации поч- венных тестаций. М.: Изд-во Московского университета, 1985. 84 с.
3. Дергачева М.И., Зыкина В.С. Органическое вещество ископаемых почв. Новосибирск: Наука. Сиб.
отделение, 1988. 129 с.
4. Лисс О.Л., Березина Н.И. Болота Западно-Сибирской равнины. М.: Изд-во Московского универси- тета, 1981. 208 с.
5. Мазей Ю.А., Блинохватова Ю.В., Ембулаева Е.А. Особенности микропространственного распреде- ления почвообитающих раковинных амеб в лесах Среднего Поволжья // Аридные экосистемы, 2011.
Т. 17. № 46. С. 37–46.
6. Мазей Ю.А., Цыганов А.Н.Пресноводные раковинные амебы. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2006. 300 с.
7. Blyakharchuk T.A. Western Siberia, a review of Holocene climatic changes // Journal of Siberian Federal University. Biology. 2009. № 1 (2). P. 4–12.
8. Chambers F.M., Blackford D.W., Yu Z. Methods for determining peat humification and for quantifying peat bulk density, organic matter and carbon content for palaeostudies of climate and peatland carbon dy- namics //Mires and Peat. 2011. Vol. 7 (2010/11). P. 1–10.
9. ter Braak C. J. F., van Dam H. Inferring pH from diatoms: a comparison of old and new calibration meth- ods // Hydrobiologia. 1989. 178. P. 209–223.