FEATURES OVERGROWING ON SANDY OUTCROPS IN THE NORTH OF WEST SIBERIA

Селиванов А. Е.¹, Капитонов В. И.², Еремеева Н. В.³, Капитонова О. А.⁴

¹Кандидат биологических наук, Тобольская комплексная научная станция УрО РАН, ² Тобольская комплексная научная станция УрО РАН, ³Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет, ⁴Кандидат биологических наук, доцент, Тобольская комплексная научная станция УрО РАН

ОСОБЕННОСТИ ЗАРАСТАНИЯ ПЕСЧАНЫХ ОБНАЖЕНИЙ НА СЕВЕРЕ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ РАВНИНЫ

Аннотация

Дана предварительная оценка масштабов и причин запесочивания субарктических районов Западной Сибири. Приведены сведения о характере зарастания песчаных обнажений, возникших в результате антропогенной трансформации почвенного покрова. Показаны основные направления сукцессионных процессов в ходе зарастания песчаных обнажений, различающихся на пониженных и возвышенных элементах рельефа. На подвижных песках отмечено формирование «моховых» и «водяниковых» бугров. Выявлено, что обнажения с подвижным песком формируются вследствие орогидрогенного и дефляционного выноса песка. Оба типа запесочивания приводят к уничтожению погребенных фитоценозов.

Ключевые слова: запесочивание, песчаные почвы, песчаные обнажения, водная эрозия, эродированные почвы, вторичная сукцессия, Западно-Сибирская равнина, Субарктика, Ханты-Мансийский автономный округ, Ямало-Ненецкий автономный округ.

Selivanov A. E.¹,  Kapitonov V. I. ², Eremeeva  N. V.³, Kapitonova O. A.⁴

¹PhD in Biology, Tobolsk Complex Scientific Station of the Ural Branch RAS, ²Tobolsk Complex Scientific Station of the Ural Branch RAS, ³ Perm State Humanitarian Pedagogical University, ⁴ PhD in Biology, associate professor, Tobolsk Complex Scientific Station of the Ural Branch RAS

FEATURES OVERGROWING ON SANDY OUTCROPS IN THE NORTH OF WEST SIBERIA

Abstract

Given a preliminary assessment of the extent and causes of sand cover subarctic regions of Western Siberia. Provides information about the nature overgrowing sandy exposures resulting from anthropogenic transformation of the soil cover. Showing the basic directions of successional processes in the course of overgrowing sandy outcrops, differing at low and elevated parts of the relief. On the shifting sands marked the formation of the mounds of mosses and Empetrum nigrum. It was revealed that exposure to mobile sand formed due to the action of water flows and deflation of sand. Both of sand cover lead to the destruction of the buried phytocenoses.

Keywords: sandy outcrop, sandy soil, water erosion, eroded soil, secondary succession, the West Siberian Plain, Subarctic, Khanty-Mansi Autonomous District, Yamalo-Nenets Autonomous Okrug.

Введение

Интенсивное хозяйственное освоение арктических и субарктических территорий Западно-Сибирской равнины сопровождается антропогенной трансформацией природных экосистем, порождая различные по своему масштабу и последствиям экологические проблемы. В этой связи актуальной является проблема «аридизации» тундры и лесотундры, связанная с процессами запесочивания. Подвижные пески могут представлять потенциальную угрозу для естественных биоценозов, их распространение может приводить к изменению структуры фитоценозов, вплоть до полного их разрушения [1-5].

В ходе экспедиционных работ по изучению биоразнообразия растений, животных и грибов в Ханты-Мансийском (ХМАО) и Ямало-Ненецком (ЯНАО) автономных округах (Тюменская область), а также при изучении космических снимков и картографических материалов были выявлены значительные по площади обнажения песка в местах антропогенных нарушений растительного покрова. Проблема запесочивания субарктических территорий Западной Сибири, несмотря на остроту, изучена недостаточно, не оценены масштабы этого явления, процессы восстановления растительного покрова пока еще слабо отражены в литературе. Это послужило основанием для проведения настоящего исследования, основной целью которого является предварительная оценка масштабов и возможных причин запесочивания, а также изучение его влияния на природные сообщества.

Методика исследования

Вслед за Е.Е. Кулюгиной [6, 7] под песчаными обнажениями мы понимаем различные по генезису объекты, такие как дефляционные котловины выдувания, раздувы, эоловые пески, а также гидрогенные выносы песка. Для определения местоположения, площади и формы обнажений предварительно были изучены доступные картографические материалы и современные космические снимки, визуализация которых проводилась с применением компьютерных программ Sas.Planet и Google Earth Pro. Полевые работы проводились летом 2016 г. на территории Белоярского, Сургутского, Пуровского, Надымского административных районов ХМАО и ЯНАО (рис. 1).

Рис. 1 – Точки обследования песчаных обнажений: 1 – Белоярский р-н, ХМАО (N63°00' E66°32'); 2 – Пуровский р-н, ЯНАО (N63°32' E 74°58'); 3 – Пуровский р-н, ЯНАО (N64°17' E 75°50'); 4 – Пуровский р-н, ЯНАО (N65°41' E 78°01'); 5 – Пуровский р-н, ЯНАО (N 66°00' E 77°17'); 6 – Надымский р-н, ЯНАО (N 65°47' E 74°19'); 7 – Пуровский р-н, ЯНАО (N64°17' E 75°56'); 8 – Сургутский р-н, ХМАО (N 63°01' E 74°25')

 

Для выявления таксономического разнообразия растений, лишайников и грибов на различных участках обнажений применяли метод проб флоры. Для этого закладывали пробные площади, каждая размером 400 м², в пределах которых отмечали все имеющиеся виды, собирали гербарные образцы. Определение стадий восстановительных сукцессий проводили с применением косвенных методов изучения динамики растительности с экстраполяцией пространственных рядов фитоценозов во временные. Для реализации этого метода закладывали ряды учетных площадок вдоль трансект, которые прокладывали от участка с наиболее сомкнутым и наименее нарушенным растительным покровом к участкам, где растительный покров отсутствует вследствие запесочивания, стараясь при этом, по возможности, проводить трансекты в сходных условиях увлажнения. Вдоль трансект закладывали пробные площадки площадью 1 м². Расположение каждой пробной площадки на трансекте определяли по изменению растительного покрова. Количество пробных площадок на трансектах варьировало от 5 до 10, в зависимости от протяженности трансекты и характера смены фитоценозов вдоль них. Всего было заложено 13 трансект и 58 площадок. На площадках оценивали обилие всех представленных видов по шкале Браун-Бланке [8]. На каждой площадке делали почвенную прикопку, что позволило выявлять свежие песчаные наносы, покрывающие гумусовый горизонт, оставшийся от уничтоженного биоценоза. Для обнаружения подвижных песков использовали метод наблюдения за древесными растениями, расположенными на границах песчаных обнажений, а также метод почвенных разрезов в местах резких переходов чистых песков в ненарушенный фитоценоз, что позволяло увидеть занесенные песком наземные и подземные органы растений, гумусовый и подзолистый горизонты, находящиеся под толщей песка. Полученная в результате работ информация внесена в электронную базу данных, собранные растения, лишайники и грибы общей численностью 345 гербарных образцов хранятся в научном гербарии ТКНС УрО РАН.

Результаты и их обсуждение

В результате проведенных полевых работ и анализа полученных данных выявлено, что все изученные песчаные обнажения, в районе исследований, имеют антропогенное происхождение. Среди них можно выделить две группы объектов, различающихся по своему генезису:

- действующие и выработанные песчаные карьеры;

- обнажения, где растительный покров был нарушен вследствие движения автотранспорта и строительства элементов индустриальной инфраструктуры (дороги без твердого покрытия, нефте- и газопроводы, линии электропередач, производственные площадки).

Отмечено, что на части изученных песчаных обнажений полностью или частично отсутствуют подвижные пески. К таким обнажениям относятся, прежде всего, старые выработанные песчаные карьеры, где наиболее интенсивное восстановление растительного покрова наблюдается в понижениях рельефа в условиях достаточного или избыточного увлажнения почвы грунтовыми водами. Значительно медленнее растительный покров восстанавливается на склонах и возвышениях.

На подобных обнажениях можно выделить два главных направления восстановительных сукцессий. «Выбор» пути восстановления, главным образом, зависит от влажности субстрата, которая в свою очередь в значительной степени определяется рельефом. Так, в пониженных элементах рельефа нам удалось установить две начальные стадии сукцессии. Первая стадия определяется сообществом ситника трехраздельного (Juncus trifidus L.) (рис. 2а), имеющего обилие + по шкале Браун-Бланке. Как правило, это одновидовые сообщества, изредка в них участвуют отдельные растения пушицы влагалищной (Eriophorum vaginatum L.).

Вторая стадия этой сукцессии представляет собой более или менее сомкнутые заросли E. vaginatum с примесью других видов: пушицы узколистной (Eriophorum angustifolium Honck.) и вейника сероватого (Calamagrostis canescens (Weber) Roth) (рис. 2б). Следующих стадий этой сукцессии нам обнаружить не удалось, однако, можно предположить, что дальнейший ее ход будет направлен в сторону формирования сфагнового болота.

На возвышенных элементах рельефа и на склонах карьеров сукцессия начинается с появления моховых дерновин Polytrichum juniperinum Hedw. и P. piliferum Hedw., затем формируются наземновейниковые сообщества, в которых обилие Calamagrostis epigeios (L.) Roth варьирует от + до 2 (рис. 2в). Среди парциальных кустов вейника с меньшим баллом обилия встречается овсяница полесская (Festuca polesica Zapal.). На следующем этапе сукцессии это сообщество сменяется кустарничками – водяникой (Empetrum nigrum L.), арктоусом альпийским (Arctous alpina (L.) Nied.), голубикой (Vaccinium uliginosum L.), в которых со временем увеличивается проективное покрытие и видовое богатство, прежде всего, за счет появления кустистых лишайников (Cladonia stellaris (Opiz) Pouzar et Vӗzda, C. rangiferina (L.) F.H. Wigg., C. stygia (Fr.) Ruoss, C. arbuscula (Wallr.) Flot., Flavocetraria nivalis (L.) Kӓrnefelt et A. Thell. и других). Завершающей стадией этой сукцессии являются северо- или среднетаежные кустарничково-лишайниковые леса и редколесья.

При отсутствии подвижных песков восстановление растительного покрова происходит естественным образом без вмешательства человека. Наибольшую тревогу вызывают обнажения с подвижными песками, где ход восстановительных сукцессий постоянно нарушается, а само песчаное обнажение постепенно увеличивает свою площадь. Нами выявлено два типа обнажений с подвижным песком, которые отличаются по агенту перемещения песчаного субстрата.

В обнажениях первого типа таким агентом является вода. Подобные обнажения приурочены к склонам, на которых формируются временные водотоки, выносящие песок в расположенные ниже по склону ненарушенные фитоценозы. Такой вынос песка можно назвать орогидрогенным запесочиванием.

На одном из изученных участков, расположенных в северотаежном зеленомошно-кустарничковом сосняке, размер песчаного наноса составлял около 2 тыс. м² (мощность 50-60 см) (рис. 2г). В результате наноса исходное растительное сообщество было полностью уничтожено путем полного погребения травянистых растений, а также хамефитов и нанофонерофитов под толщей песка. Более высокие древесные растения погибли из-за прекращения аэрации корневых систем вследствие постоянного избыточного увлажнения песчаного наноса и начавшегося глеевого процесса. В наиболее стабильных окраинных участках наноса отмечено начало восстановительной сукцессии по типу ситниково-пушицевого зарастания. Выявлено, что на данном участке источником орогидрогенного запесочивания явился расположенный на склоне песчаный карьер, на котором была сделана попытка рекультивации в виде посадки 2-3 летних саженцев сосны лесной (Pinus sylvestris L.). Однако это мероприятие нельзя признать эффективным, как вследствие низкой приживаемости сосны в данных условиях, так и по причине отсутствия барьера, задерживающего движение песка. В качестве рекомендации по предотвращению подобных пагубных последствий нарушения растительного покрова можно предложить комплексный подход к рекультивации выработанных песчаных карьеров, включающий мероприятия по выравниванию дна карьера, окантовке его глубокой канавой для предотвращения формирования временных водотоков и сноса ими песка, посадке быстрорастущих видов растений с богато разветвленной корневой системой, при этом желательно одновременное использование травянистых и древесных видов из состава местной флоры, участвующих в естественных восстановительных сукцессиях. Так, в качестве возможного варианта можно предложить сочетание нескольких видов ив (Salix triandra L., S. gmelinii Pall., S. viminalis L.) и Calamagrostis epigeios.

Второй тип обнажений с подвижным песком формируется благодаря действию ветра. Такие обнажения расположены на выровненных участках и имеют значительные размеры, иногда более 1 км в поперечнике. Перенос песка ветром оказывает существенное влияние на ход восстановительных сукцессий, а также приводит к трансформации и даже полному уничтожению близлежащих фитоценозов. На разных участках обнажения перемещение песка приводит к двум противоположным последствиям. В первом случае происходит дефляция песка и образование ям выдувания, что ведет к обнажению корневой системы растений и нередко – к гибели даже крупных деревьев. Как правило, на участках с активным выносом песка травянистые растения полностью отсутствуют.

Второй случай связан с наносами песка, в результате чего травянистые растения и мхи оказываются частично или полностью погребенными под толщей песка. Отмечен также занос стволов деревьев на высоту до нескольких метров.

В процессе зарастания участков с подвижным песком наблюдаются те же стадии сукцессии, что и на обнажениях со стабильной поверхностью. Однако подвижный песок приводит к появлению специфических явлений, не свойственных закрепленным субстратам и связанных с периодическим наносом песка на растения. Одним из наиболее характерных проявлений этого процесса можно считать формирование «моховых» и «водяниковых» бугров. При первом варианте наблюдается освоение горизонтальных поверхностей песка листостебельными мхами Polytrichum juniperinum и P. piliferum. Стебли мха задерживают переносимый ветром песок, что вызывает повышение его уровня на моховой куртине. По мере заноса песком мхи нарастают своими верхушками, вновь и вновь задерживая очередные порции песка. Таким образом, формируется бугор, состоящий из песка, пронизанного побегами мхов (рис. 2д). Сходным образом формируются бугры на основе Empetrum nigrum. Некоторые «водяниковые бугры» достигают высоты полуметра при размерах в поперечнике до 5 м.

Интересно, что нам не удалось обнаружить бугры, образованные несколькими видами растений, лишь в немногих случаях на вершинах «моховых бугров» отмечены отдельные растения Festuca polesica. Почвенные разрезы через «моховые» и «водяниковые бугры» показали наличие в некоторых из них чередующихся гумусовых и песчаных прослоек, что говорит о различной скорости наносов в разные годы. Можно предполагать, что существует положительная зависимость этого явления от увеличения летних температур воздуха и снижения количества атмосферных осадков.

На периферийных участках крупных песчаных обнажений отмечено формирование барханов. Как и в барханных пустынях, с наветренной стороны они имеют пологий склон, а с подветренной – крутой, до 45^°, легко осыпающийся. В сухом состоянии песок на склонах бархана приходит в движение от малейшего прикосновения. Под действием ветра такие барханы наступают на ненарушенные фитоценозы (рис. 2е). Скорость их перемещения удалось измерить путем расчистки занесенных кустов ивы Гмелина (Salix gmelinii), явно сформировавшихся еще на свободной от песка поверхности.

Так, изученный нами куст ивы, погребенный под толщей песка высотой 1 м в полутора метрах от края бархана, имел возраст 15 лет, согласно количеству годичных колец на главном побеге. Наши расчеты показали, что минимальная скорость перемещения бархана на данном участке составила 1,5 м за 15 лет. Максимальная отмеченная высота барханов составляет около 4 м. Как и на буграх зарастания, почвенные разрезы основания бархана с подветренной стороны в ряде случаев показывают чередование слоев гумусового и подзолистого горизонтов, что можно трактовать как смену преобладающих тенденций зарастания и запесочивания в разные годы в связи с разногодичными флуктуациями климата.

Таким образом, проведенные нами исследования говорят о широком распространении антропогенного запесочивания в субарктических районах Западной Сибири. Небольшие участки обнаженного песка со временем способны закрепляться растительностью без участия человека, причем процесс сукцессии может иметь несколько вариантов в зависимости от участвующих в этом процессе видов растений. Выявлено также, что наиболее крупные из обнажений с подвижным песком обладают значительной подвижностью, постоянно увеличиваются в размерах, нарушая или полностью уничтожая близлежащие фитоценозы. Необходимы дополнительные стационарные исследования по изучению скорости перемещения песков, а также эксперименты, позволяющие выработать экологически целесообразные и экономически обоснованные рекомендации по рекультивации антропогенно нарушенных ландшафтов.

Рис. 2 – Некоторые типы зарастания песчаных обнажений: 2а – сообщество Juncus trifidus; 2б – сообщество Eriophorum vaginatum; 2в – сообщество  Calamagrostis epigeios; 2г – орогидрогенное запесочивание лесного участка; 2д – моховой (слева) и водяниковый (справа) бугры; 2е – песчаный бархан, наступающий на лес

Благодарности

Работа выполнена в рамках конкурсного проекта УрО РАН «Аридизация (опустынивание, псаммофитизация, запесочивание) тундры и лесотундры в Западной Сибири: масштабы, причины, сущность, пути решения» (№ ГР 116020510089).

Литература

1. Шилова И.М. Первичные сукцессии растительности на техногенных песчаных обнажениях в нефтегазодобывающих районах среднего Приобья // Экология, 1977. № 6. – С. 5–14.
2. Телятников М.Ю., Пристяжнюк С.А. Естественное восстановление растительного покрова Ямальской тундры после антропогенных нарушений // Сибирский экологический журн. 1995. № 3 – С. 540–548.
3. Пристяжнюк С.А. Восстановление кустарничково-мохово-лишайниковых сообществ на песчаных раздувах в Ямальских тундрах // Тез. докл. III междунар. конф. «Освоение Севера и проблемы рекультивации», Санкт-Петербург, 27 мая 1996 г. Сыктывкар, 1997. – С. 163–165.
4. Эктова С.Н., Ермохина К.А. Растительность песчаных обнажений северных субарктических тундр Центрального Ямала // Известия Самарского НЦ РАН. 2012. Т. 14, № 1(5). – С. 1412–1415.
5. Ильминских Н.Г. Аридизация (опустынивание, псаммофитизация, запесочивание) Арктики и Субарктики: масштабы, причины, сущность явления // Экология и природопользование в Югре: материалы Всерос. науч.-практ. конф., посвящ. 15-летию каф. экологии СурГУ (Сургут, 24–25 окт. 2014 г.). Сургут, 2014. – С. 24–25.
6. Кулюгина Е.Е. Динамика растительного покрова песчаных обнажений припечорских тундр // Вест. Ин-та биологии КомиНЦ УрО РАН. 2000. № 6. – С. 2–5.
7. Кулюгина Е.Е. Флора и растительность песчаных обнажений припечорских тундр: Автореф. дис. … к.б.н. – Сыктывкар, 2004. – 27 с.
8. Александрова В.Д. Классификация растительности. Обзор принципов классификации и классификационных систем в разных геоботанических школах. – Л.: Наука, Ленинград. отд-ние., 1969. – 275 с.

References

1. Shilova I.M. Pervichnye sukcessii rastitelnosti na texnogennyx peschanyx obnazheniyax v neftegazodobyvayushhix rajonax srednego priobya [Primary succession of vegetation on man-caused sandy outcrops in the oil and gas producing regions of the Middle Ob] // Ekologiya [Russian Journal of Ecology]. – 1977. N 6. – P. 5– [in Russian]
2. Teljatnikov M.Ju., Pristjazhnjuk S.A. Estestvennoe vosstanovlenie rastitel'nogo pokrova Jamal'skoj tundry posle antropogennyh narushenij [Natural recovery of vegetation of Yamal tundra after anthropogenic disturbances] // Sibirskij jekologicheskij zhurnal [Siberian Ecological Journal]. – 1995. N P. 540–548. [in Russian]
3. Pristjazhnjuk S.A. Vosstanovlenie kustarnichkovo-mohovo-lishajnikovyh soobshhestv na peschanyh razduvah v Jamal'skih tundrah [Restoring shrub-moss-lichen communities on the sand breaks in the Yamal tundra] // Tez. dokl. III mezhdunar. konf. «Osvoenie Severa i problemy rekul'tivacii» [Abstracts of the III international conference "Development of the North and problems of the remediation"]. – Syktyvkar. 1997. – P. 163–165. [in Russian]
4. Jektova S.N., Ermohina K.A. Rastitel'nost' peschanyh obnazhenij severnyh subarkticheskih tundr Central'nogo Jamala [The vegetation of the sandy outcrops of northern subarctic tundra of the Central Yamal] // Izvestija Samarskogo NC RAN [Bulletin of Samara Scientific Center RAS]. – 2012. Vol. 14. N 1(5). – P. 1412–1415. [in Russian]
5. Il'minskih N.G. Aridizacija (opustynivanie, psammofitizacija, zapesochivanie) Arktiki i Subarktiki: masshtaby, prichiny, sushhnost' javlenija [Aridization (desertification, psammofitization, sand cover) of Arctic and Subarctic: scale, causes, the essence of the phenomena] // Jekologija i prirodopol'zovanie v Jugre: materialy Vseros. nauch.-prakt. konf., posvjashh. 15-letiju kaf. jekologii SurGU [Ecology and Nature Management in Ugra: Materials of All-Russian scientific-practical conference devoted to the 15th anniversary of the Department of Ecology of Surgut State University]. – Surgut, 2014. – P. 24–25. [in Russian]
6. Kuljugina E.E. Dinamika rastitel'nogo pokrova peschanyh obnazhenij pripechorskih tundr [Dynamics of the vegetation of sandy outcrops in Pechora tundra] // Vest. In-ta biologii KomiNC UrO RAN [Bulletin of the Institute of Biology Komi SC UB RAS]. – 2000. N 6. – С. 2–5. [in Russian]
7. Kuljugina E.E. Flora i rastitel'nost' peschanyh obnazhenij pripechorskih tundr: Avtoref. dis. na soiskanie uchenoj stepeni k.b.n. [Flora and vegetation of the sandy outcrops in Pechora tundra: Abstract of the Ph.D thesis].– Syktyvkar. 2004. – 27 p. [in Russian]
8. Aleksandrova V.D. Klassifikacija rastitel'nosti. Obzor principov klassifikacii i klassifikacionnyh sistem v raznyh geobotanicheskih shkolah [Vegetation Classification. Review of the principles of classification and classification systems in different geobotanical schools]. – L.: Nauka, Leningrad. otd-nie. 1969. – 275 p. [in Russian]