УДК. 556.56:556.18(470.1/.25)

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10285

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕЛИОРАТИВНОГО ОСВОЕНИЯ БОЛОТНЫХ ГЕОСИСТЕМ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

THEORETICAL ASPECTS OF RECLAMATION DEVELOPMENT OF SWAMP GEOSYSTEMS IN WESTERN SIBERIA

Новохатин Василий Васильевич, профессор кафедры геодезии и кадастровой деятельности, д.т.н, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень.

Novokhatin V.V., Novohatin@yandex.ru

Тибуа Анжела Ревазовна, Институт сервиса и отраслевого управления, Тюменский индустриальный университет (ТИУ), 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, д. 38

Tibua A. R., anzhelika.star@mail.ru

Аннотация. Мелиоративная наука, используя достижения смежных отраслей, разработала методы обоснования и способы регулирования водно-воздушного и теплового режимов гидроморфных залежей, сохранения их как объекты природной среды при длительном сельскохозяйственном использовании.

Специфические природные условия территории Западной Сибири (высокая заболоченность и обводнённость при низких температурах воздуха в течение большей части года) требуют корректировки и уточнения теоретических и экспериментальных разработок по вопросам: мелиоративной гидрологии, развития криогенных процессов почв, сработки органического вещества, освоения болотных ландшафтов и т.д. используемых в других регионах страны. Последнее возможно лишь на основе проведения глубоких специальных исследований, учитывающих особенности природных условий рассматриваемого региона, и в первую очередь климатических, почвенно-геологических, гидрологических факторов, под влиянием которых формируются важнейшие: водно-тепловой и мерзлотный режимы территории. Естественно, изменяя водный режим, мы вторгаемся в естественный процесс эволюции болотных комплексов. Для правильной оценки изменений происходящих в гидроморфных залежах под действием мелиораций и возможности управления этим процессом требуется системный анализ количественных характеристик, а также их теоретическое обоснование с широким применением математических методов. 

Полноценных, комплексных исследований перечисленных проблемных вопросов, с позиций эколого-мелиоративного освоения болотных геосистем Западной Сибири, практически не проводилось. Поэтому в предлагаемой работе рассматриваются основополагающие аспекты мелиорации болотных геосистем данного региона.

Summary. Meliorative science, using the achievements of related industries, has developed methods for substantiating and regulating the water-air and heat regimes of hydromorphic deposits, preserving them as objects of the natural environment for long-term agricultural use.

The specific natural conditions of the territory of Western Siberia (high waterlogging and waterlogging at low air temperatures during most of the year) require correction and clarification of theoretical and experimental developments on the following issues: reclamation hydrology, development of cryogenic soil processes, organic matter processing, development of marsh landscapes, etc.used in other regions of the country. The latter is possible only on the basis of in-depth special studies that take into account the peculiarities of the natural conditions of the region in question, and primarily climatic, soil-geological, and hydrological factors that influence the most important: water-thermal and permafrost regimes of the territory. Naturally, by changing the water regime, we are intruding into the natural evolution of swamp complexes. To correctly assess changes occurring in hydromorphic deposits under the influence of reclamation and the possibility of managing this process, a systematic analysis of quantitative characteristics is required, as well as their theoretical justification with a wide application of mathematical methods.

There have been almost no comprehensive studies of these problematic issues from the perspective of ecological and reclamation development of swamp geosystems in Western Siberia. Therefore, the proposed work considers the fundamental aspects of reclamation of marsh geosystems in this region.

Ключевые слова: болотные геосистемы, природные условия образования и функционирования болот, эколого-мелиоративное освоение, гидрология болот, структурно-функциональная, информационная модель мелиорации.

Keywords: swamp geosystems, natural conditions of formation and functioning of swamps, ecological and reclamation development, hydrology of swamps, structural and functional, information model reclamation.

Крупные массивы болотных геосистем Западной Сибири, которые можно потенциально использовать в сельскохозяйственном занимают большие площади междуречных пространств. В естественном состоянии эти почвы почти не используются в сельском хозяйстве. Вовлечение их в оборот, на основе широких мелиораций, позволит интенсифицировать сельскохозяйственное производство и расширить площади под культурами, пастбищами и продуктивными лугами.

Естественно, применяя мелиоративные технологии, мы вторгаемся в естественный процесс эволюции болотных комплексов. Для правильной оценки изменений происходящих в гидроморфных залежах под действием мелиораций и возможности управления этим процессом требуется системный анализ гидрологических и геоморфологических условий существования и развития болотных геосистем рассматриваемого региона.

Известно, что мелиоративное освоение болотных ландшафтов вызывает антропогенное воздействие на окружающую среду. Бесконтрольное и безграмотное использование месторождений гидроморфных почв может создать угрозу их полной и невосполнимой деградации. Научные разработки последних лет в области экологической безопасности таких почв, требуют переосмысления подходов к их мелиорации и сельскохозяйственному использованию. Нельзя увлекаться всеобъемлющими, широкомасштабными мелиорациями природных органогенных комплексов.

Целью исследований является анализ условий образования и функционирования болот в Западной Сибири с позиций их эколого-мелиоративного освоения.

Экспериментальная часть

Нами рассматривались гидрологические и геоморфологические условия образования и существования органогенных залежей болотных геосистем Западной Сибири с позиций системного подхода оценки их характеристик, что позволяет достоверно оценить их состояние во времени и в пространстве и предложить технологии мелиоративного освоения, с обязательным учётом экологической безопасности.

Результаты и их обсуждение

По концентрации болот, их расположению и интенсивности болотообразования, начавшегося ещё в начале голоцена и активно продолжающегося в наши дни, Западная Сибирь не имеет аналогов. Крупные болотные ландшафты, соединяясь между собой, образуют целые системы, занимающие огромные площади. Заболоченность территории и агрессивность болотных массивов обусловлены на Западно – Сибирской равнине общими природными условиями. Современные гидроморфные почвы являются важной частью биосферы и имеют огромное значение для сохранения экологического равновесия в природе [1, 2, 3].

Возросшие технические возможности осуществления мелиоративного освоения болот, а также изменившиеся в последнее время представления о главных природных причинах заболоченности региона и путях их преодоления ставят проблему комплексного использования территории [4]. Эта проблема охватывает широкий круг теоретических, научно – практических и прикладных вопросов.Их решение поможет найти оптимальные пути рационального использования и освоения земельных ресурсов Западной Сибири.  

Интенсивность и направленность процессов образования болот, а также естественного разболачивания территорий тесно связаны с периодическими и непериодическими колебаниями климата. Исследования В.С. Мезенцева [5] позволили выявить в динамике палеоклимата четыре периода характеризующихся направленными циклическими изменениями, указывающими на значительные колебания и плавный переход от холодных и влажных периодов к тёплым и засушливым. С этими периодами связаны интенсивность болотообразовательных процессов и естественно накопление органогенных масс.

Наибольший интерес нам представляет четвёртый период (от 500 лет назад до настоящего времени) характеризующийся появлением постепенной, но устойчивой направленности к повышению значений теплоэнергетических ресурсов в гидроморфных болотных зонах, а также к уменьшению общего увлажнения. В гидроморфных болотных геосистемах в этот период сохранились черты гумидного климата с избытком общего увлажнения и нарастанием органической массы.

Воздействия климатических изменений на процессы болотообразования происходили на всей территории Западной Сибири синхронно и определялись географическим положением болотных зон. В гидроморфных зонах они проявлялись слабее, чем в мезо – и ксероморфных зонах, характеризующихся недостаточным увлажнением. Наибольшая интенсивность торфонакопления составляла от 0,2 до 1,0 мм/год [2, 6].

Проблема заболачивания почв многообразна и сложна и требует специальных длительных стационарных исследований, позволяющих познать её сущность и механизм возникновения. Анализ работ ведущих почвоведов, проводивших почвенные исследования в Западной Сибири, позволил нам рассмотреть в общих чертах основные типы заболачивания почв, причины и условия болотообразования, развитие его во времени и в пространстве, а также интенсивность торфонакопления. Процесс заболачивания территорий обусловлен, кроме биоклиматических условий, рядом природных факторов, определяющих развитие процесса. Такими факторами являются гранулометрический состав почво-грунтов, рельеф заболачиваемого участка, стадия развития органогенной залежи и её характер т.д.

По гранулометрическому составу выделяются две группы почвообразующих пород, по-разному реагирующих на появление в них дополнительной влаги: пески и супеси; суглинки и глины. В связи с хорошими фильтрационными свойствами первой группы грунтов, заболачивание на них связано в основном с подъёмом почвенно-грунтовых вод. На плоских междуречьях местные уровни грунтовых вод лежат неглубоко. Ежегодно из-за отсутствия стока талые воды и атмосферные осадки аккумулируются в макро – и микропонижениях, фильтруются, достигают водоносного горизонта и способствуют постепенному поднятию грунтовых вод к поверхности, вызывая заболачивание территории. Более интенсивно этот процесс происходит вблизи болотных массивов. Поднятие болотной верховодки, обусловленное ростом органогенных масс, вызывает подъём почвенно-грунтовых вод на прилегающих суходолах и, в конечном итоге, его поверхностное заторфовывание.

Наличие в почвообразующих грунтах суглинков и глин, обладающих средней и плохой водопроницаемостью и большой влагоёмкостью, приводит к аккумуляции и застою атмосферной влаги на поверхности плоских междуречий и стимулирует начало заболачивания и торфообразования. Большую роль в развитии этого процесса играют также мощность органической залежи и стадия торфонакопления (евтрофная, мезотрофная, олиготрофная), степень обводнённости и заполнения котловины торфяником. Сочетание этих условий способствует быстрому проявлению заболачивания на окружающих суходольных участках, замену на них растительности на более гидрофильную, участвующую в торфонакоплении.

На территории Западно – Сибирской низменности различают три типа заболачивания: грунтовое, поверхностное и смешанное (поверхностно-грунтовое).

Грунтовый тип заболачивания распространён главным образом на междуречьях, сложенных лёгкими супесчано-песчаными породами. Процесс заболачивания более активно и разнообразнее протекает в условиях влияния существующих болотных геосистем. В этом случае высокое положения болотных вод органогенной залежи вызывает подъём грунтовых вод в почвенно-грунтовой толще прилегающего склона суходола. Происходит смыкание поверхностных и грунтовых вод. Это приводит к резкому усилению на склоне подзолистого процесса, формированию и росту вверх уплотнённого глеевого горизонта, застою атмосферной влаги над ним и в связи с этим к быстрому заторфовыванию на обеднённом, перенасыщенном влагой мощном подзолистом горизонте. Следует отметить, что процессы заболачивания в разных зонах Западной Сибири аналогичны, различны лишь их количественные характеристики. Исходя из многообразия специфических условий и факторов грунтового заболачивания выделено три наиболее типичных механизма заболачивания [7, 8]. Первые два механизма процесса заболачивания различаются по времени, но генетически они близки. Второй механизм развивается в течение более длительного времени. При третьем механизме происходит поверхностное обводняющее воздействие болотных вод. Он развивается при определённом сочетании следующих условий: непосредственного контакта суходола и болотного массива, плоского рельефа суходола, заполнения достаточно мощным органогенным слоем слабосточной котловины и сброса избыточных болотных вод на прилегающие участки суходола. Вместе с тем, при любом механизме грунтового заболачивания наступает фаза, когда поверхностные воды начинают играть ведущую роль, и благодаря их непосредственному воздействию создаются условия для начала торфонакопления по низинно-переходному или верховому типу в зависимости от механизма заболачивания.

Поверхностное заболачивание также, как и грунтовое, наиболее интенсивно протекает в условиях влияния болотной геосистемы. При отсутствии органогенных масс заболачивание протекает медленно. Этот тип заболачивания распространён главным образом на плоских междуречьях, сложенных суглинисто-глинистыми отложениями. Как и в случае с грунтовым заболачиванием здесь также выделено несколько механизмов заболачивания, свойственных для той или иной подзоны.

 В подтаёжной подзоне почвенно-грунтовый фон, на котором протекает заболачивание, иной, чем в более северных подзонах [8, 9]. Поверхностное заболачивание развито здесь почти исключительно по периферии болотных геосистем в связи с их обводняющим влиянием. Заболачивание микропонижений носит локальный характер и не имеет широкого развития.

 Для поверхностного типа заболачивания, в связи с нарастанием переувлажнения в почвах, характерно возникновение или усиление глеевого процесса. Он приводит к ухудшению и без того плохого внутрипочвенного стока. Избыточная влага в верхних минеральных горизонтах вызывает ухудшение разложения подстилки, смену растительности на евтрофную и мезотрофную, начало накопления органики. На определённых этапах заболачивания (особенно вблизи болотных геосистем) в почвенном профиле могут появиться почвенно-грунтовые воды, но они не играют существенной роли, так как все изменения, происходящие под влиянием поверхностного переувлажнения, значительно опережают во времени медленный подъём грунтовых вод к поверхности [10,11,12].

Третий тип – смешанное заболачивание – проявляется в условиях дополнительного подтока или застоя поверхностной влаги (как при поверхностном заболачивании) при близком залегании грунтовых вод, оказывающих большее или меньшее влияние на водный режим почвенной толщи. Неблагоприятное дренирование междуречий и рост органогенных отложений способствуют поднятию грунтовых вод. Такие условия наиболее характерны для южно-таёжной и подтаёжной подзон Западной Сибири [8]. В рассматриваемых подзонах накопление органической массы в понижениях рельефа протекает медленно, так как интенсивность разложения органических остатков достаточно велика. В связи с этим длительность низинной стадии заболачивания микро – и макропонижений большая. Гидроморфные почвы, развиваясь в котловинах, служат водоприемниками поверхностного стока с окружающих водосборов, вследствие чего они сильно обводнены [13]. На этой длительной стадии развития, болотные воды фильтруются в почвы прилегающих суходолов, и избыточная вода сбрасывается грунтовым, а не поверхностным стоком. Заполнение котловины органикой и сброс избыточной влаги поверхностным путём наблюдается только в болотных геосистемах, развитие которых уже перешло в мезо – олиготрофную фазу.

Тип смешанного заболачивания территории похож на поверхностное заболачивание, различие заключается лишь в том, что в первом случае в почвенной толще присутствуют почвенно-грунтовые воды, которые сами по себе не вызывают заболачивания, но на всех стадиях процесса играют косвенную роль подпора поверхностных вод.

Несмотря на то, что поверхностные воды являются ведущим фактором в смешанном типе болотообразования, сами по себе они не могут привести к заболачиванию территории, прилегающей к болотному массиву. Их влияние на водный режим почвенной толщи приболотного пояса значительно усиливается, благодаря присутствию почвенно-грунтовых вод, что приводит к генетическому изменению в верхних горизонтах почвенного профиля, их обводнению, возникновению или развитию процессов оглеения, и в конечном итоге стимулирует оганогенных масс. Изучение условий и факторов заболачивания территорий в центральной части Западной Сибири позволяет отметить, что автономное развитие болотных процессов здесь крайне ограничено и основной причиной прогрессирующего болотообразования являются крупные болотные геосистемы.

По данным М.И. Нейштадта [6], О.Л. Лисс [2] в период позднего голоцена (последние 200-500 лет) процесс заболачивания активизировался и стал интенсивно распространяться на суходолы. Знание типов и механизмов заболачивания, проявляющихся на фоне определённого почвенного покрова, позволяет выделить зоны с разной интенсивностью и характером болотообразования, даёт наиболее полную информацию об основных закономерностях этого явления, о его причинах, сущности указывает на источник дополнительной влаги, содержание которой можно регулировать тем или иным мелиоративным мероприятием, что в конечном итоге позволит воздействовать на процесс болотообразования.

Рассматривая геоморфологические условия формирования болотных геосистем следует обратиться к периоду среднего олигоцена. В это время Западно – Сибирская плита испытывает общее поднятие, в результате чего море полностью покидает пределы равнины и повсеместно устанавливается континентальный режим. По мнению И.П. Герасимова [9], В.Н. Олюнина [10], под действием многократных трансгрессий и регрессий моря, повторявшихся ледниковых периодов, эрозионно-аккумулятивных денудационных и других процессов, протекавших на низменности в геологические периоды и эпохи, сформировался современный рельеф.

В пределах района исследований выделяются два противоположных геоморфологических образования. В центральной, восточной и юго-западной его части находится система денудационных равнин и плато с абсолютными отметками до 160 м. На остальной территории расположены аккумулятивные четвертичные равнины, имеющие отметки поверхности 30–100 м над уровнем моря.

Неоднократная смена условий осадконакопления привела к тому, что и в разрезе, и в плане Западно – Сибирская плита характеризуется достаточно сложным геоморфологическим строением, в значительной мере определяющим своеобразие её гидрогеологических условий и активность образования болотных геосистем. Все, приведённые выше, особенности формирования болотных ландшафтов показывают в каких сложных условиях они образовались и существуют. Эти геосистемы являются уникальным природным феноменом. Неудовлетворительный тепловой режим, наличие длительных мерзлотных явлений вызывает необходимость бережливого отношения к ним и минимального нарушения существующего равновесия в экологической системе. Развитие народно-хозяйственного комплекса в Западной Сибири однозначно вызывает необходимость использовать потенциал таких органогенных почв. Это возможно лишь на основе комплексных эколого-мелиоративных, ресурсосберегающих мероприятий. Освоением могут быть охвачены не более 55-60% территории болотных геосистем. Остальные 40-45% площади должны находиться в естественном состоянии. Только это соотношение позволит нам предотвратить необратимые деградационные процессы, характерные для таких почв, и сохранить уникальные природные образования Западной Сибири. При мелиоративном воздействии могут применяться различное сочетание инженерных решений. В связи с этим нами предлагается структурно-функциональная, информационная модель мелиоративного освоения болотных ландшафтов Западной Сибири (рисунок 1). Данная модель не претендует на всю полноту информации о существующих природных процессах и антропогенном воздействии на них, но в ней в достаточно необходимой степени рассмотрены технологические аспекты, информационные и функциональные связи основных почвенных, гидрологических и других режимов и определяющих их факторов, создание которых обеспечит рациональное использование природных геосистем на длительный период.

Литература

1. Земцов А.А. (ред.). Болота Западной Сибири и их роль в биосфере. Томск. ЦНТИ. 2000 .72 с.

2. Лисс О. Л. Пути эволюции болот в голоцене (на примере центральной части Западной Сибири): Автореф. дис. … д-ра геогр. наук. Л.: 1990. 48 с.

3. Новохатин В.В. Эффективность действия гончарного дренажа при осушении торфяных почв Северного Зауралья: Автореф. дис. …канд. тех. наук. М.: ВНИИГиМ. 1989. 23 с.

4. Маслов Б.С. Гидрология торфяных болот. М.: Изд-во Россельхозакадемия. 2009. 261 с.

5. Мезенцев В.С. Режим влагообеспеченности и условия гидромелиораций степного края. М.: Колос. 1974. 240 с.

6. Нейштадт М.И. Научные предпосылки освоения болот Западной Сибири. М.: Изд – во Наука. 1977. 228 с.

7. Караваева Н.А. Почвы тайги Западной Сибири. – М.: Наука, 1973. 96 с.

8. Новохатин В.В. Опыт осушения низинных болот Западной Сибири // Мелиорация и водное хозяйство, 1991. №5. С. 14-16.

9. Герасимов И.П. Основные вопросы геоморфологии и палеогеографии Западно–Сибирской низменности: Сб. научн.тр./ конференции по изучению и освоению производит. сил Сибири. 1946. Т.7. С 134 – 161.

10. Олюнин В.Н. Геоморфологические условия формирования болот // Научные предпосылки освоения болот Западной Сибири. М.: Наука. 1977. С. 30 – 39.

11. Bogdanova, O.V., Chernykh, E.G., Kryakhtunov, A.V. Zonas naturales especialmente protegidas como objeto de actividad inversora // Revista ESPACIOS. – 2018. – Vol. 39 (Number 16). – P. 36. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.revistaespacios.com/a18v39n16/a18v39n16p36.pdf

12. Simakova T.V., Simakov A.V., Skipin L.N., Chernykh E.G., Starovoitova E.S. Formation of a sustainable system is the basis of rational land use management / Espacios. 2019. Т. 40. № 20. С. 20

13. Кряхтунов, А. В. Стратегия развития рынка земель сельскохозяйственного назначения на примере Ишимского муниципального района Тюм. области/ А. В. Кряхтунов, Е. Г. Кравченко, О. В. Пелымская// Современные проблемы науки и образования, 2014, № 5. – С. 307