Оглавление
Строение деятельного слоя
Деятельным слоем торфяной залежи называется ее поверхностный горизонт, в котором наиболее активно протекают процессы влаго- и теплообмена болот с окружающей средой и в первую очередь с атмосферой [171]. Теоретическое и экспериментальное обоснование разделения торфяной залежи на два генетически разнородных горизонта — деятельный и инертный — было сделано впервые в работах К. Е. Иванова [81] и В. Д. Лопатина [124]. Позднее это разделение было уточнено в работах [36,83,171,175].В деятельном слое торфяной залежи происходит впитывание атмосферных осадков и конденсация водяного пара из атмосферы, наиболее интенсивное фильтрационное стекание воды вдоль склона болотного массива, подток воды к испаряющей поверхности и поглощение ее корневыми системами растений. Вследствие взаимодействия этих процессов в деятельном слое постоянно изменяются влажность, аэрация и глубина уровня болотных вод.
В этом же слое наблюдаются наибольшие суточные и сезонные колебания температуры торфяной залежи и происходят фазовые превращения воды и связанные с этим изменения состояния торфяной залежи: ее замерзание и оттаивание.
Рассматриваемый слой является активным и в смысле торфообразо-вания: в нем происходит отмирание массы живого органического вещества и наиболее активно протекают аэробные биохимические процессы разложения.
Деятельный слой сверху ограничен поверхностью растительного ковра болота, характеризующегося обычно неровным микрорельефом По-
этому за его верхнюю границу целесообразно принять условную поверхность, проходящую на высоте средних отметок выпуклых и вогнутых форм микрорельефа 2. За нижнюю границу деятельного слоя принимают поверхность, параллельную верхней границе и совпадающую с поверхностью средних минимальных уровней болотных вод в данном микроландшафте [83] (рис. 3.14).
Высокая активность деятельного слоя по влагообмену и зависимость интенсивности гидрологических процессов от глубины залегания уровня болотных вод обусловлены наличием особой структуры его органического скелета и резким изменением ее по глубине. По описаниям структуры разрезов мерзлых монолитов, отобранных из торфяной залежи верховых болот [82, 83], самый верхний слой от поверхности головок мха до глубины 3—8 см состоит из вертикально расположенных стеблей мха, кустарничков и трав. Поры между стеблями этих растений имеют хорошо выраженную вертикальную ориентировку; размеры их зависят от густоты растительного покрова. Под слоем живого мохового покрова залегает слой, в котором отмершие стебли мха находятся в стадии перехода в горизонтальное положение. Вследствие изменения способа укладки моховой очес отличается большим разнообразием размеров пор: от крупных пор и полостей между стеблями до очень мелких пор-углов, образуемых чешуйчатыми листьями на стеблях и ветках сфагновых мхов. Толщина этого слоя в разных микроландшафтах различна, чаще от 5 до 20 см, под западинами она, как правило, меньше, чем под кочками. Ниже слой мохового очеса имеет горизонтальную ориентировку частиц и более плотную их упаковку. Поры становятся более однородными по размерам.
1 При наличии мохового покрова за поверхность болота на данном участке принимается поверхность головок мха, при отстуствии мха — поверхность дернины на уровне узлов кущения травянистых растений, а при отсутствии растительности вообще — поверхность торфа [136].
2 Для повышения точности взаимной увязки данных уровенных наблюдений и характеристик водно-физических свойств торфяной залежи, поскольку они приводятся к верхней границе деятельного слоя, но определяются обычно в различных пунктах микроландшафта.
На болотах с травяным растительным покровом слой с не сложившейся еще структурой тоньше, чем на моховых болотах, и состоит в основном из обломков стеблей и корневых систем отмерших и живых растений. Поэтому деятельный слой залежи травяных болот имеет резкие изменения размеров пор только в тонком поверхностном слое толщиной 3— 10 см. Ниже пористая структура торфа изменяется мало.
Форма и строение частиц органического скелета в моховом очесе и торфе низкой степени разложения обусловлены морфологическими особенностями растеиий-торфообразователей. На верховых болотах основными торфообразователями являются различные виды сфагновых мхов. Их листья в виде выпуклых чешуек покрывают ветви и стебли растения, образуя таким образом частицы сложного строения с большой поверхностью и внутренними порами. Травянистые же растения и кустарнички образуют частицы менее сложного строения.
Размеры частиц зависят от вида растений и мало варьируют у разных индивидуумов одного и того же вида растений. Поэтому размеры внешних пор в моховом очесе и слаборазложившемся торфе зависят главным образом от плотности укладки частиц в объеме торфяной залежи.
Изменение способа укладки и уплотнение частиц растительных остатков в торфогенном слое приводят к интенсивному росту объемного веса абсолютно сухого вещества с глубиной. По экспериментальным данным, полученным на верховых болотах, расположенных в бассейне р. Конды и в междуречье Ваха и Ватинского Егана, естественное уплотнение мохового очеса в торфогенном слое составило в разных микроландшафтах 300 — 480% по отношению к объемному весу сухого вещества в живом моховом покрове, что соответствует уплотнению растительного вещества в среднем на 2,5% на каждый сантиметр глубины.
Экспериментальное определение аналогичной характеристики на низинных болотах Западной Сибири показало, что объемный вес сухого вещества торфяной залежи гипново-осоковых, осоково-тростниковых или вейниково-осоково-тростниковых болот увеличивается в среднем на 0,2— 0,3% на каждый сантиметр глубины. При этом заметное уплотнение залежи наблюдается до глубины 40—50 см от поверхности болота.
Помимо механического уплотнения, на структуру материала в торфогенном слое залежи оказывают влияние биохимические процессы разложения растительных остатков. В результате разложения появляются новые органические вещества, главным образом гуминовые кислоты и гуматы. В торфе они образуют сложные коллоидные комплексы, химический состав которых может определять фазовое состояние высокодисперсной фракции и его гидрофильность.
В торфогенном слое верховых болот гуминовые вещества находятся в молекулярно-дисперсном и коллоидно-дисперсном состояниях и поэто: му легко вымываются атмосферными осадками в подстилающие слои залежи и частично выносятся за пределы болотного массива [37, 166}! Поэтому пористая структура деятельного слоя на верховых болотах формируется в основном за счет грубодисперсной фракции неразложив; шихся остатков сфагновых мхов и других растений.
На низинных же болотах, благодаря более высокой минерализации болотных вод, высокодисперсная фракция торфа состоит преимущественно из гуматов (органо-минеральных соединений гуминовой кислоты с двух- и трехвалентными металлами) в виде коагуляционных структур и агрегатов, заполняющих промежутки между остатками неразложившихся растений и, таким образом, участвует в формировании пористой структуры деятельного слоя торфяной залежи.
Изменчивость структуры материала в деятельном слое моховых болот имеет место не только в вертикальном (по глубине), но и в горизонтальном (в плане) направлениях. Изменчивость структуры мохового очеса в плане связана с изменением по площади микроландшафта видового состава растительных сообществ. По данным полевых исследований [35, 36], различные виды сфагновых мхов, а также многие другие болотные растения могут нормально развиваться только при определенном диапазоне глубин уровня болотных вод, т. е. при конкретных, ограниченных узкими пределами условиях увлажнения и аэрации поверхностного слоя торфяной залежи. Поэтому состав растительных сообществ на разных по высоте элементах микрорельефа существенно изменяется, обусловливая тем самым существующее изменение на различных микроучастках деятельного слоя структуры мохового очеса: размеров, строения и плотности сложения образующих его частиц. Общие сведения о строении деятельного слоя залежи, рассмотренные выше, относятся как к европейским, так и к сибирским болотам.
Данных о строении деятельного слоя торфяных залежей Западной Сибири очень мало [33, 52, 53, 67]. Сведения о характере микрорельефа на поверхности этих болот, толщине и строении поверхностного слоя торфяной залежи имеются лишь по болотным массивам, на которых ведутся стационарные и экспедиционные наблюдения за водно-тепловым режимом (см. табл. 1.1). Практически совсем не изучен деятельный слой болот зоны многолетней мерзлоты.
Комплексное и наиболее детальное изучение деятельного слоя торфяной залежи выпуклых олиготрофных болот Западной Сибири проводилось экспедициями Государственного гидрологического института с 1966 г. При этом в программе исследований особое внимание уделялось получению объективных количественных характеристик горизонта развития микрорельефа и достаточно обоснованному определению средней поверхности болота (СПБ*)1 в различных микроландшафтах. Последнее было особенно важно для привязки (в высотном отношении) всех экспериментальных данных по строению и водно-физическим свойствам деятельного слоя. Ниже дается характеристика деятельного слоя торфяной залежи по полученным экспериментальным данным для микроландшафтов зоны выпуклых олиготрофных болот.
Наиболее сложной по строению является верхняя часть деятельного слоя, находящаяся в пределах высоты развития микрорельефа [35, 36]. Здесь деятельный слой состоит из множества соприкасающихся своими основаниями выпуклых форм микрорельефа и не представляет собой сплошного торфяного пласта. Для расчета средних характеристик свойств среды, варьирующих в этой части деятельного слоя, нужны возможно более точные морфометрические данные о строении микрорельефа. Для получения этих данных при исследовании западно-сибирских болот применялся статистический метод линейной таксации [34, 136] поверхности, заключающийся в съемке профилей х(1) (где х — превышение поверхности болота над уровнем грунтовых вод, / — расстояние от некоторого постоянного начала) вертикального сечения горизонта
1 Средняя поверхность болота (СПБг)—условная поверхность, находящаяся на высоте средних отметок выпуклых и вогнутых форм микрорельефа, определенная при данной глубине (г) уровня болотных вод.
развития микрорельефа над уровнем болотных вод и вероятностно-статистическом анализе этих профилей.
Выполненный вероятностно-статистический анализ профилей х(1) показал, что они обладают свойствами эргодических стационарных функций Это позволяет вести расчет статистических морфометрических характеристик микрорельефа по одному произвольно выбранному в заданном направлении профилю х(1) достаточной длины и затем распространять их на всю площадь микроландшафта.
Вычисленное по профилю х(1) статистическое математическое ожидание X ординат профиля численно равно глубине уровня болотных вод относительно СПБ2 в момент съемки данного профиля х(1). Благодаря свойству стационарности профилей х(1) величина X на всей площади данного микроландшафта одинакова. Практически зеркало болотных вод и СПБ2 могут считаться параллельными поверхностями. Это подтверждается результатами экспериментальной проверки свойства стационарности профилей х(1), приведенными в табл. 3.6.
Условие параллельности уровня болотных вод по отношению к СПБ используется для приведения к СПБ экспериментальных характеристик деятельного слоя и „привязки" к ней поверхности элементов микрорельефа, а также поверхности опытных монолитов, отбираемых из торфяной залежи, „нулей" отсчета уровня водомерных скважин, положения отдельных слоев торфяной залежи и т. п. Полевые работы производились согласно разработанной в отделе болот ГГИ инструкции, основанной на упоминавшихся выше исследованиях П. К. Воробьева [36].
На основании указанных выше свойств профилей х(1) и с помощью известных из теории вероятности математической статистики приемов
анализа эргодических стационарных случайных функций [119] были определены для большого числа профилей х(1) статистическое математическое ожидание X, среднее квадратическое отклонение S, коэффициенты вариации Си и асимметрии Cs, а также дифференциальный оз(х) и интегральный W(x) законы распределения Эти характеристики, обобщенные для различных групп микроландшафтов, имеющих наибольшее распространение в зоне выпуклых олиготрофных болот Западно-Сибирской равнины, приводятся в табл. 3.7 и на рис. 3.15.
1 Способы съемки профилей х (/) вертикального сечения горизонта микрорельефа относительно уровня болотных вод и вероятностно-статистической обработки их, а также приемы оценки точности полученных статистических характеристик изложены в Наставлении [136].
Данные табл. 3.7 показывают, что строение микрорельефа существенно и закономерно изменяется в зависимости от типа микроландшафта и соответственно от места нахождения данной группы микроландшафтов на болотном массиве относительно направления линий тока.
Судя по величине среднего квадрэтического отклонения S и амплитуды колебаний ординат профилей х(1) Ак, наибольшего развития горизонт микрорельефа достигает в микроландшафтах, расположенных на склонах болотных массивов (табл. 3.7).
Здесь микроландшафты представлены преимущественно комплексами различных растительных ассоциаций и имеют резко выраженные крупные формы микрорельефа поверхности в виде обширных понижений (иногда занятых озерами), мочажин и гряд. Микроландшафты, находящиеся в центральной части крупных болотных массивов или занимающие полностью отдельные небольшие выпуклые массивы, имеют несколько меньшую мощность горизонта развития микрорельефа. Значительно меньше, чем в других микроландшафтах, развит микрорельеф в безлесных микроландшафтах, занимающих сильно обводненные ложбины на контакте с суходолами или другими болотными массивами.
Из приведенных в табл. 3.7 значений коэффициента асимметрии видно, что в подавляющем большинстве исследованных микроландшафтов горизонт развития микрорельефа имеет симметричное или близкое к нему строение. Меньшая часть микроландшафтов, для которых Cs составляет 0,75—1,65, имеют асимметричное строение горизонта микрорельефа за счет увеличения удельного веса площади, занятой плоскими понижениями и мочажинами.
В соответствии с общей теорией развития болотных массивов и определением понятия „микроландшафт" [83] микроландшафты, относящиеся к одному и тому же типу, должны обладать одинаковым микрорельефом и одинаковым составом растительного покрова, Поэтому осредненные данные, приведенные в табл. 3.7, могут быть использованы для характеристики строения микрорельефа микроландшафтов соответствующих типов на других, неисследованных болотных массивах в зоне выпуклых олиготрофных болот Западной Сибири.
Интегральные кривые W(x), построенные по данным статистической обработки профилей х(1), являются суммарными характеристиками распределения элементов микрорельефа по высоте относительно СПБ или кривыми заполнения растительным веществом слоя развития микрорельефа. По ним определялись различные морфологические характеристики слоя развития микрорельефа: его толщина, площади (в % от общей площади микроландшафта), которые занимают элементы микрорельефа той или иной высоты относительно СПБ, а также устанавливались количественные соотношения свободной емкости межкочечных понижений и объемов кочек в горизонте микрорельефа при различной высоте уровня болотных вод относительно СПБ. Осредненные кривые W(x) для выделенных в табл. 3.7 болотных микроландшафтов приведены на рис. 3.15. Они так же, как и данные табл. 3.7, могут быть использованы для характеристики соответствующих микроландшафтов неисследованных болот.
В соответствии с определением деятельного слоя [81, 124] толщина .его численно равна глубине среднего многолетнего минимального уровня болотных вод в данном микроландшафте. Аналогично этому деятельный слои болот, находящихся в зоне распространения многолетней мерзлоты, должен представлять собой слой сезонного оттаивания торфяной залежи и, следовательно, его мощность должна определяться величиной теплоэнергетических ресурсов поверхностного слоя залежи. В данном случае гидрологический термин „деятельный слой торфяной залежи" имеет такое же смысловое значение, как и аналогичный термин, используемый в мерзлотоведении. Поэтому расчет толщины деятельного слоя производится по данным уровенных наблюдений и наблюдений за оттаиванием торфяной залежи в условиях многолетней мерзлоты (табл. 3.8).
Для определения толщины деятельного слоя микроландшафтов различных болотных зон Западной Сибири были использованы материалы соответствующих видов стационарных наблюдений на болотных постах Гидрометслужбы и экспедиционных исследований гидрометеорологического режима болот Западной Сибири, полученные экспедицией ГГИ в период с 1959 по 1972 г.
Расчет средних многолетних минимальных уровней воды для всех микроландшафтов болотных зон, расположенных южнее Сибирских Увалов, производился по наблюденным уровням периода летне-осенней межени (июнь — октябрь). При этом было замечено, что в некоторых микроландшафтах верховых болот минимальные зимние уровни, особенно перед началом снеготаяния, были ниже, чем в летне-осеннюю межень. Однако в расчет они не принимались, так как падение уровня болотных вод ниже деятельного слоя в это время обусловлено главным образом перераспределением влаги в торфяной залежи (термокапиллярным подтоком болотных вод к нижней границе промерзающего слоя залежи и закреплением ее в этом слое) и мало зависит от влагообмена болот с окружающей средой из-за резкого его уменьшения в этот период года [131].
Результаты расчетов толщины деятельного слоя, выполненных по данным уровенных наблюдений, приведены в табл. 3.9 и 3.10 раздельно для микроландшафтов зоны выпуклых олиготрофных болот и зоны плоских евтрофных и мезотрофных (осоково-гипновых) и вогнутых евтрофных (тростниковых) и засоленных (травяных) болот. Приведенные в этих таблицах значения толщины деятельного слоя следует рассматривать как приближенные, так как они были вычислены по сравнительно коротким рядам уровенных наблюдений (до 12 лет). По мере удлинения рядов наблюдений они могут быть уточнены. Однако можно утверждать, что отклонения от приведенных значений при этом составят не более 10— 20%, так как произведенный параллельный расчет средних минимальных уровней за 60-летний период по восстановленным уровням и за 8-летний период по наблюденным уровням дал весьма незначительные расхождения между ними: 2—5 см (табл. 3.9).
Из табл. 3.9 и 3.10 видно, что толщина деятельного слоя в различных микроландшафтах существенно различается. На исследованных верховых болотах она изменяется от 16 до 54 см, а на низинных — От 26 до 95 см. При этом йаибольшая толщина деятельного слоя залежи была получена на верховых болотах для группы мохово-лесных микроландшафтов, занимающих центральные части болотных массивов, а на низинных болотах для группы лесных микроландшафтов, расположенных на дренируемых окрайках болот; наименьшая толщина — для сфагново-осоковых проточных топей и для группы кустарниковых (ивовых) избыточно увлажненных микроландшафтов.
Сравнивая полученные значения толщины деятельного слоя (табл. 3.9), с величиной —- соответствующих микроландшафтов
(табл. 3.7), можно видеть, что горизонт развития микрорельефа в ряде случаев составляет большую часть деятельного слоя.
Содержание сухого вещества в деятельном слое торфяной залежи было определено в трех микроландшафтах зоны выпуклых олиготрофных болот, находящихся в бассейне р. Конды и на водоразделе рек Ваха и Ватинского Егана. Исследование проводилось с соблюдением условий строгой привязки экспериментальных данных к элементам микрорельефа и СПБ. В одном микроландшафте отбиралось от четырех до семи монолитов (колонн) торфяной залежи с ненарушенной структурой на всю глубину деятельного слоя. При этом учитывалось строение слоя развития микрорельефа в данном микроландшафте. Монолиты отбирались из повышенных и пониженных элементов микрорельефа с таким расчетом, чтобы по ним можно было получить данные о величине и характере уплотнения органического вещества с глубиной на разных микроучастках деятельного слоя, отличающихся ботаническим составом мохового очеса и имеющих различную высоту относительно СПБ.
Характеристика объемного веса сухого вещества (ρ г/см^3) в колоннах торфяной залежи определялась через 5 см по всей их глубине.
В результате для каждой колонны была получена экспериментальная кривая изменения объемного веса сухого вещества с глубиной относительно СПБz ρ = f(H). Значения ρ и Н для этих кривых приведены в приложении 2 по различным микроландшафтам.
Анализ семейства частных кривых ρ=f(H) совместно с кривыми распределения высот микрорельефа ω(х) и W(x) в данном микроландшафте позволяет составить представление о пространственном изменении плотности сложения органического скелета мохового очеса и торфа в деятельном слое, включая слой развития микрорельефа, и проследить, в частности, влияние высоты микрорельефа на вид кривых ρ = f (H). Из приложения 2 видно, что интенсивность уплотнения мохового очеса
до глубины 40 см на
различных микроучастках деятельного слоя зависит от высоты их
поверхности относительно СПБ. Чем меньше высота относительно СПБ, тем
больше интенсивность уплотнения очеса с глубиной. Следовательно,
частные кривые ρ = f(H), полученные по отдельным колоннам,
характеризуют изменение объемного веса сухого вещества с глубиной
только на тех микроучастках деятельного слоя, высота поверхности
которых близка или равна высоте (ΔН) исследованных колонн торфяной
залежи относительно СПБ. Поэтому расчет средних послойных значений
ρH
для деятельного слоя микроландшафта производился с учетом
удельного веса площади микроучастков, занимаемой элементами
микрорельефа соответствующей высоты относительно СПБ. Расчет выполнен
по формуле
где ρH — значения объемного веса сухого вещества (г/см^3) в слое на глубине Н см от СПБz, снимаемые с частных кривых ρ = f(H); FM — площади микроучастков (в % от всей площади микроландшафта), характеризуемые соответствующими частными кривыми ρ=f(H), снимаемые с интегральной кривой распределения высот микрорельефа W(x) по данным о привязках поверхности колонн торфяной залежи к СПБ.
Результаты расчета средних послойных значений рн для исследованных микроландшафтов приведены в последних графах таблиц приложения 2.
Поскольку в других болотных зонах Западной Сибири аналогичные подробные исследования не проводились, в приложении 3 приведены данные о содержании сухого вещества из литературных источников [32, 53, 67], полученные по единичным или нескольким колоннам торфяной залежи, для ряда низинных микроландшафтов зоны евтрофных и мезотрофных (осоково-гипновых болот) и зоны тростниковых и засоленных (травяных) болот. Эти данные не приведены в высотном отношении к СПБz и не являются надежной средней характеристикой изменения объемного веса сухого вещества в деятельном слое торфяной залежи соответствующих типов микроландшафтов. Однако их можно использовать, для ориентировочных оценок возможных изменений структуры материала в деятельном слое неисследованных микроландшафтов этих болотных зон.
предыдущее | следующее
