Критерии оценки состояния и устойчивости криогенных агроландшафтов в современных условиях

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2007, №4

УДК 631.6:551.345

Критерии оценки состояния и устойчивости криогенных агроландшафтов

в современных условиях

П.П. Гаврильев

Предлагается система критериев, включающая тематические (мерзлотные, почвенно-ботанические, гидрологические), пространственные (площади поражения опасными процессами), динамические (скорости поражения площади), интегральные (величины урожайности) для оценки степени изменения состояния и устойчивости криогенных агроландшафтов. Только совмещенный учет этих критериев позволяет достоверно квалифицировать уровни остроты экологических ситуаций территории.

This paper proposes the system of criteria for assessing the modification and sensitivity of agricultural landscapes in permafrost areas. It includes thematic (geocryological, pedobiological and hydrological), spatial (areal extent of disturbance), dynamic (rates of disturbance) and integral (yield) criteria. It is shown that only a multiple approach based on these criteria will provide reliable ecological rating of an area.

Введение. Земельные ресурсы сельскохозяйственного назначения Якутии занимают 67435,6 тыс. га или 22,2 % от ее общей площади. Около 80 % территории Центральной и 40 % Западной Якугии подвержены антропогенным (техногенным) воздействиям (вырубка леса, пожары, распашка, строительство нефтепроводов, разведка и добыча полезных ископаемых и многие другие). От 20 до 60 % крупных таежных, долинных и мелкодолинных почв подстилаются неглубоко от поверхности (1,2-2,5м) многолстнсмерзлыми породами (ММП) с повторно-жильными льдами (ПЖЛ) (ледовым комплексом). Значительные по площади территории Севера характеризуются сильной неустойчивостью к техногенным воздействиям! 1 —31.

По современным представлениям узловой вопрос прикладной экологии, особенно экологии криолитозоны (криоэкологии) - это разработка обязательных четырех классов (групп) - тематических, площадных, динамических и интегральных критериев для оценки степени остроты изменения состояния и устойчивости криогенных естественных и агроландшафтов. а также для выделения следующих уровней экологической обстановки территорий (зон): экологической нормы, риска, кризиса и бедствия [41. В состав 4 классов обязательных критериев должно входить хотя бы оптимальное количество ведущих мерзлотных и биологических параметров состояния

ГАВРИЛЬЕВ Петр Петрович - д.г.н., г.н.с. ИМЗ СО РАН.

ландшафтов. Однако по этому направлению, применительно для мерзлотных почв и ландшафтов, имеется ряд работ [5-10]. На наш взгляд, этими авторами недостаточно рассмотрены почвенные и мерзлотные, точнее, параметры криогенных деструкции. Тем не менее в целом их научные и прикладные результаты являются оригинальными и ценными и учтены нами (см. ниже).

Многие исследователи указывают на сложность в выявлении закономерностей изменения состояния и оценке устойчивости криогенных агроландшафтов при современном сельскохозяйственном землепользовании и короткопериодных изменениях климата. Мелиорация и сельскохозяйственное освоение территории криолитозоны имеют как положительные результаты, так и в ряде случаев существенные негативные последствия. зачастую необратимые [1, 5-8]. В области криолитозоны и, особенно, на площадях распространения ледового комплекса роль криогенных (мерзлотно-геологических) процессов в формировании устойчивости и трансформации криогенных естественных и агроландшафтов весьма специфична и изучена недостаточно. Это указывает на чрезвычайную актуальность изучения устойчивости сельскохозяйственных ландшафтов (агроландшафтов) и разработки на этой основе эффективных мероприятий по рациональному использованию и охране сельскохозяйственных земельных ресурсов в северных регионах страны. Важной проблемой этого приоритетного направления является разработка системы критериев для оценки устойчивости

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. 2007, .NM

87

ГЛВРИЛЬЕВ

криогенных естественных и сельскохозяйственных ландшафтов.

В Институте мерзлотоведения СО РАН в течение 3 лет (2004-2006 гг.) выполнялся научный проект по программе СО РАН 24.1, а в настоящее время - проект СО РАИ 7.10.2.5: «Исследование состояния и тенденции развития криогенных ландшафтов при изменениях климата, гидрогеологических условий и антропогенных воздействиях» (научные руководители: В.В. Шепелев и А.Н. Федоров) и блок 1 «Оценка устойчивости криогенных ландшафтов в современных условиях с применением ГИС-гехнологий» (2007-2Ш9 гг.) (отв. исполнители: А.Н. Федоров, ПЛ. Гаврильев).

Цель настоящей работы - разработка системы надежных критериев для оценки состояния и устойчивости агроландшафтов в рамках указанного блока.

Работа выполнена на основе обобщения данных комплексного мониторинга агроландшафтов и полевых мсрзлотно-экологичсских исследований (2(Х)4-2007 гг.). Проведен их совместный анализ с накопленной ранее геокриологической, климатической, ландшафтной, гидрологической информацией (1965-2003 гг.) и выполнены оценочные расчеты.

В настоящей работе под критерием подразумеваются совокупные показатели и параметры, позволяющие охарактеризовать степени остроты изменения состояния и устойчивости криогенных естественных и агроландшафтов при природных и антропогенных воздействиях. Показатели означают меру (характеристику). Параметры - границы интервалов, соответствующие различным степеням состояния и устойчивости криогенных ландшафтов, а также экологического неблагополучия территории в современных условиях. Критерии и параметры приняты на основании научных и экспериментальных данных, а также экспертных оценок.

Результаты исследований. Особый вид деградации ландшафтов - криогенное нарушение мерзлотных почв и отложений деятельного слоя (СТС, CMC), вызывающее снижение биопродуктивности земель. Криогенное нарушение происходит вследствие вытаивания подземных льдов и развития тсрмокарстовых и термоэрозионных процессов, образования бугристо-просадочного, полигонально-трещиноватого, термопросадочно-го и других видов мерзлотного микрорельефа в условиях нарастающих темпов землепользования и глобального изменения климата в Якутии.

Современное резкое потепление климата в ре-

гионе (на 2-2,5 °С) в последние десятилетия и антропогенные воздействия стали причиной развития широкого спектра нежелательных и опасных криогенных процессов (термокарста, термоэрозии, солифлюкции, сплывов и др.) на территории с ледовым комплексом. Подобные процессы образуют сложные (парагснстичсскис) связи, что обуславливает большую их скорость и значительное преобразование поверхности мерзлотных почв и сельскохозяйственных ландшафтов.

Экспериментально выявлено, что экзогенным мерзлотно-гсологичсским процессам сопутствуют другие неблагоприятные процессы: ландшафтные (изменение деятельной поверхности, рельефа), почвенные (криотурбации - мерзлотные деформации почв, разрывы почвенных горизонтов и др.), гидрологические (заболачивание и иссушение мерзлотных земель, охватывающие значительные территории), гидрогеологические (образование надмерзлотных вод, верховодки и др.) за-короткий срок (10-20 лет). Под их воздействием отдельные типы мерзлотных почв и ландшафтов теряют уникальное разнообразие, хозяйственную и экологическую ценности в различной степени, от весьма слабой до очень высокой.

Многолетними мониторинговыми наблюдениями установлено, что все экзогенные процессы отражались в рельефе, почве, отложениях деятельного слоя (СТС, CMC) и верхнего горизонта многолетнемерзлых пород (до 10 м) в различных видах и формах. Они очень физиогномичны и информативны, что позволяет использовать их в качестве мерзлотных критериев для оценки степени остроты изменения состояния и устойчивости природных ландшафтов.

Это положение послужило научно-методической основой разработки классификации мерзлотных и биологических критериев для многоцелевого назначения. На основе обобщения и анализа материалов проведенных исследований (1989-2007 гг.) и литературных источников [1-10] нами были разработаны критерии для оценки состояния и устойчивости криогенных агроландшафтов по изменчивости мерзлотных (температуры и льдистости мерзлых грунтов, глубины протаивания, криогенных процессов и т. д.), гидрологических (заболачивания и иссушения) и биологических характеристик (содержание гумуса и восстанавливаемости растительного покрова); по площади и скорости пораженности (нарушенное™) криогенными процессами и изменчивости урожайности (табл. 1).

Таблица 1

Мерзлотные и биологические критерии оценки степени изменения состояния и устойчнвос1И крншенных ландшафтов

при сельскохозяйственном освоении

Показатели Степень нарушенное™ агроландшафтов

слабая средняя сильная очень сильная

Криогенные деструкции (поверхности почвы) и СТС: а)глубина термопросадок и провалин. м б) глубина разрушения (смытости) почвенных горизонтов в) подземные пустоты, ослабленные рыхлые грунты из-за вытаивания ПЖЛ. м Менее 0.3 Нет или слабо заметно Менее 0,3 от нижнего горизонта СТС 0.3-0,5 Смыт горизонт А| или 0,5 м горизонта А 0,3-0,5 с подошвы корнеобнтасмого слоя 0.5-0.7 Разрушены горизонты А и В и частично АВ 0,5-0.7 с подошвы почвенного горизонта В 0.7-1.2 и выше Разрушены (размыты) горизонты А и В 11ет данных

Площадь, выведенная из землепользования. % Менее 5 5-20 20-50 Больше 50

Скорость криогенных деструкции площади. % в год Менее 0,5-1 1-2 3-4 Больше 4

Содержание гумуса. % от первоначального Более 90 70-90 30-70 Менее 30

Снижение биопродуктивности (урожайности). % от среднего Менее 20 20-50 50-75 Более 75

Разработана классификация геокриологических, гидрологических и почвенных процессов по степени опасности и частоте их проявления в Центральной Якутии. Выделены пять классов

опасности для мерзлотных геосистем и народнохозяйственных объектов (хозяйственного освоения): не опасные , малоопасные , умеренно опасные , опасные и чрезвычайно опасные (табл. 2).

Таблица 2

Классификация природных и антропогенных теокриологических процессов по степени опасности их проявлений для

сельскохозяйственного освоения и мелиорации земель

Класс процессов по степени опасности их проявления для сельскохозяйственного освоения Вид процесса, величина проявления в рельефе, почве и сезонно-талом слое, индекс

Термоэрозия Морозное пучение почво-грунтов. м Мерзлотное заболачивание в водно- физических категориях почв Мерзлотная аридизация (иссушение) в водно- физических категориях Площадь пораженное™ опасными процессами, % Снижение урожайности (потеря биопродуктивности, %

термокарст, тепловая осадка почво-грунтов, м глубина разрушения почвенных горизонтов, д. ед. скорость пятящейся овражной термоэрозии, м/год

Не опасные <0,1 0,1 <0.5 <0.05 \Унв <0.7\Унв 0,5-1 <5 Ур,

Малоопасные 0,1-0,3 0,1-0.3 А 0.5-1,0 0.05-0.3 \Vhb-Wkb 0,6-0,7 \Унв 1-10 5-20

Умеренно опасные 0,3-0.5 0.3-0.5 А 1-5 0.3-0.5 \Укв \Уврк 10-20 20-50

Опасные 0.5-0,7 Горизонты А и чатич-но В 5-10 0,5-0,7 \Укв-\Упв 0,6 \VepK 20-50 50-75

Чрезвычайно опасные >8 Горизонты А и В >10 >0.8 \Упв \Увз >50 >75

На основе обобщения и анализа материалов исследований, проведенных в Институте мерзлотоведения СО РАН в 1983-2007 гг. и литературных источников [1-10], выделено четыре класса

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2007, №4

критериев для оценки остроты экологических ситуаций с учетом изменения устойчивости криогенных агроландшафтов и их урожайности (табл. 3):

89

12.3зкаэ №12

ГАВРИЛЬКВ

I - тсматическис: мерзлотные, почвенные, гидрогеологические, мерзлогно-гидрологические, а также биотические - восстанавливаемость растительного покрова и содержание гумуса;

II - пространственные: площадь пораженно-сти территории криогенными процессами и явлениями , %;

Классы критериев оценки остроты нсблат

III - динамические: скорость поражснности ландшафтов мерзлотными, гидрологическими, почвенными и другими процессами, % в год; IV - интегральный: изменение урожайности -результирующий показатель состояния, устойчивости и функционирования криогенных ландшафтов), % в год.

Таблица 3

|учия экологической обстановки

Показатели криогенных Уровни экологической обстановки

удовлетворительная напряженная критическая кризисная катастрофическая

1. Тематические критерии Мерзлотные

Проявление процессов в рельефе, почве и СТС: а) полигональные бугорки. зачаточный былар.. байджерахи (высота, диаметр), м б) термопросадка (глубина/диаметр), м в) термоэрозионные промоины. овраги (глубина/ширина). м г) терморозия (смы-тость) почвенных горизонтов. д. ед. д) подземные пустоты, ослабленные рыхлые грунты из-за вытаивання ПЖЛ, м <0.1 4-9 <0.1 0,1-3 <0.1 <1 Нет или слабо заметно <0,1 в нижнем горизонте СТС 0,1-0,3 4-9 0.1-0.3 0,1-4 0,1-0,5 1-3 Смыт 0,2 горизонта А 0.1-0,3 в нижнем горизонте СТС 0.31-0.5 4-9 0,1-0,3 0,2-5 0,5-1,0 3-4 . Смыт 0,5 горизонта А 0,3-0,5 с подошвы корнеобитаемото слоя 0.51-0.7 4-9 0.51-0.7 0.3-6 1.0-1.5 4-6 Разрушены горизонты А. частично В 0.5-0.7 с подошвы почвенного горизон-таВ >0.71-1.0 4-9 >0.71-1.0 0,5-6 >1.5-2.0 6-9 Разрушены (размыты) горизонты А и В. частично ВС >0.8

Пучение, м <0.1 или нет 0.1-0,3 0.3-0,5 0,5-0.7 >0.8

Мсрзлоп ю-гидрологичсскис

Глубина от поверхности горизонта надмерзлот-ныхвод, м Отсутствуют или >2.5 м 2.1-2,5 1,5-2,0 1-1.5 <0,6-0.9

Мерзлотное заболачивание (переувлажнение) Whb Whb - Wkb Wkb WKB- Wne Wne

Мерзлотная арндизация (иссушение) <0,7 W|u, 0.6-0,7 WHB WepK 0,8-0.9 WepK Wb3

Биотические

Содержание гумуса от первоначального. % 95-100 90-95 70-90 30-70 <30

Самовосстанавливае-мость растительного покрова, лет Быстрая

II. Пространственные критерии

Площадь поражснности опасными процессами. % <5 5-10 10-20 20-50 >50

III. Динамические критерии

Скорость поражения площади. % в год <0,5 0,5-1 1-2 2-3 >4

IV. Интегральный критерий

Снижение биопродуктивности, % в год <5 5-10 10-20 20-50 >50-75

Примечания: 1) в указанной таблице экологические ситуации даны в обобщенном виде; 2) тематические критерии более подробно отражены в табл. 1 и 2.

Таблица 4

Оценка

остроты экологической ситуации с учетом изменения устойчивости криогенных ландшафтов и бионродуктивности

Уровень остроты экологической ситуации Класс критериев оценки экологических условий

1 - тематические критерии оценки степени изменения устойчивости геосистем II - динамические: скорость поражения площади. % III — пространственные: площади пора-жснностн опасными процессами. % IV - биопродуктивность (урожайность культур), %

Относительно удовлетворительная (норма) Весьма слабая 0.5-1 0,5-1 <5

Напряженная Слабая(низкая) 1-2 1-10 5-20

Критическая Средняя (умеренная) 2-3 10-20 20-50

Кризисная (зона чрезвычайной экологической ситуации) Сильная (высокая) 3-4 20-50 50-754

Катастрофическая (зона экологического бедствия) Очень сильная(очень высокая) >4-5 >50 >75

Предлагаемые критерии позволяют оценить и выделить зоны (территории, участки) с различными уровнями остроты пораженное™ ландшафтов криогенными процессами и экологической обстановки (табл. 4): а) относительно удовлетворительная; б) напряженная; в) критическая; г) кризисная (зона чрезвычайной экологической ситуации); д) катастрофическая (зона экологического бедствия). Эти пять уровней экологической обстановки принимаются согласно научно-методическому (нормативному) документу МОП РФ [9].

По результатам приближенной оценки по разработанной системе критериев необратимые мерзлотно-экологические изменения охватывают примерно 15-20 % площади межаласных агро-ландшафтов в Центральной Якутии. Около 20-30 % орошаемых земель имеют неудовлетворительное состояние вследствие мерзлотного заболачивания и иссушения, криогенного нарушения мерзлотных почв, снижения урожайности земель в 1,5-3 раза и более.

По степени сложности геокриологических и криоэкологических условий природно-террито-риапьные комплексы Центральной Якутии характеризуются от относительно благоприятных до очень сложных для сельскохозяйственного освоения , а по градациям устойчивости к антропогенным воздействиям - от устойчивых до совершенно неустойчивых.

Выводы. Разработанная система криогенных критериев представляет большие возможности для решения широкого диапазона научных и прикладных задач в области рационального ис-

пользования и охраны криогенных ландшафтов в современных условиях потепления климата, оттаивания подземных льдов и антропогенных воздействий.

Данная система должна явиться основой для разработки научно-методических рекомендаций для оценки степени изменения состояния и устойчивости агроландшафтов в условиях криоли-тозоны.

Литература

1. Леве Т.Н. Влияние постоянно мерзлых пород на обрабатываемые ноля в районе Фэрбенкса, Аляска // Мерзлые горные породы Аляски и Канады. - М.: ИЛ, 1958.-С. 164-186.

2. Браун Дж., Граве H.A. Нарушение поверхности и ее защита при освоении Севера. - Новосибирск: Наука, 1981.-88 с.

3. Граве H.A., Мельников П.И. Критерии и прогнозы устойчивости мерзлотных ландшафтов // Факторы и механизмы устойчивости геосистем. - М.: АН СССР, Институт географии, 1989.-С. 163-171.

4. Гаврильев П.П., Угаров И.С., Ефремов П.В. Мерзлотно-экологические особенности таёжных агро-земель Центральной Якутии. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2001.- 194 с.

5. Гаврильев П.П., Угаров И.С., Ефремов П.В. Криогенные процессы и изменение устойчивости пород ледового комплекса в Центральной Якутии при современном изменении климата и нарушении поверхности // Наука и образование. - 2005. - № 4 (40). - С. 84-87.

6. Геокриологические опасности: Тематический том / Под ред. Л.С. Гарагуля, Э.Д. Ершова. - М.: Издательская фирма «Крук», 2000. - 316 с.

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. 2007. №4

91

ГУРЬЯНОВ

7. Ггоэкология Севера (введение в геокриоэколо-гию) // Пол ред. В.И. Соломатина. - М.: Изд-во МГУ, 1992.-270 с.

8. Зотова Л. И., Тумель Н.В. Мерзлотно-экологическая оценка состояния ландшафтов в результате антропогенных воздействий // Материалы Первой конф. геокриологов России. - М.: Изд-во МГУ, 1996. - Т. 2. - С. 374-383.

9. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной эколо-

гической ситуации и зон экологического бедствия. -М.: Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации, 1992. - 58 с.

10. Федоров А.Н. Формирование криоэкологиче-ской напряженности в ландшафтах Центральной Якутии // Материалы Первой конф. геокриологов России. - М: Изд-во МГУ, 1996. - Т. 2. - С. 348-355.

Работа выполнена по проекту СО РАН 7.10.2.5 (научные руководители д.г.-м.н. Шепелев В В.. к.г.н. Федоров А. Н.).

УДК 624.139:551.345

Системный базис инженерной криолитологии

И.Е. Гурьянов

Инженерная криолитология представлена как наука, изучающая условия формирования механических свойств вечномерзлых грунтов. Механические характеристики вводятся как результаты разномасштабных структурных преобразований генетических комплексов отложений. Классификацией планетарных факторов литогенеза указаны принципы инженерно-литологического районирования территории вечной мерзлоты.

The systematization of engineering cryolithology which studies the formation of mechanical properties of permafrost soils is presented. The genetic complexes of sedimentary deposits, as well as the structural levels in permafrost soils responsible for the development of spatial systems of given strength are discussed. The classification of planetary factors that cause various types of cryolithogenesis in permafrost is presented.

При решении инженерных задач обычно исследуются и учитываются строение и свойства вечномерзлых отложений на глубину первых нескольких десятков метров, поскольку именно указанный интервал глубин предопределяет перспективную надежность отдельных сооружений, а также промышленного строительства и градостроения в целом. Эти глубины представляют собой зону активного литогенеза, где помимо накопления и уплотнения промерзающих осадков происходит дальнейшее криогенное преобразование мерзлых толщ, сопровождающее весь период их существования непрерывным изменением и сглаживанием первоначальных структурно-генетических отличий.

Отмечая данное обстоятельство в качестве общей закономерности континентального литогенеза, Е.В.Шанцср [7] назвал этот процесс конвергенцией, с удивлением отмечая, насколько

ГУРЬЯНОВ Игорь Емельянович - к.т.н., в.н.с. ИМЗ СО РАН.

близкими по строению и даже практически одинаковыми становятся в дальнейшем первоначально различные генетические типы. Еще большая активность наложенного криолитогене-за, в сравнении с указанными результатами, показана исследованиями В.Н.Конищева [3], Ю.В.Шумилова [8] и др. В частности, универсализация отдельных типов грансостава, выявленная В.Н.Конищсвым. является характерной и для морских [6], и для эоловых отложений [5].

В результате таких преобразований под воздействием локальных, региональных или одинаковых планетарных факторов, проявляющихся в данных условиях, различные генетические типы отложений приобретают сходное строение и однотипное сложение, образуя минеральные континуумы, обладающие одинаковыми технически значимыми свойствами. Эти образования и следует рассматривать как всчномерзлыс грунты, т.е. регионально единый инженерный суперстрат, продукт криолитогенного обобщения отложений различного генезиса. Данный подход к