Гидромелиоративные исследования на болотах Карелии

УДК 631.6

ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА БОЛОТАХ КАРЕЛИИ

Институт водных проблем Севера Карельского НЦ РАН, г. Петрозаводск

Природа Севера весьма чувствительна и более ранима при проведении большого объема работ по осушению и освоению новых земель. Это обусловило необходимость постановки комплексных исследований по научному обоснованию мелиораций.

Исследования в области изучения болот и заболоченных земель Карелии и рационального использования их были начаты в 1952 г. небольшой группой в составе сектора болотоведения и мелиорации Карельского филиала АН СССР под руководством одного из известных ученых-мелиорато-ров северо-запада В.А. Розина.

С 1954 г. были начаты первые исследования на болоте, осушенном дощатым (желобковым) дрена-

жем недалеко от г. Петрозаводска (Вилга). Эти исследования показали, что в условиях обильного грунтово-напорного водного питания нельзя спешить с переходом к осушению закрытым дренажем - необходимо предварительное осушение открытой сетью [1].

В 1962 г. начинается организация Корзинского научного агромелиоративного стационара Института биологии. В 1970 г. совместно с Институтом леса под руководством известного болотоведа, члена-корреспондента АН СССР Н.И. Пьявченко был заложен и комплексный Киндасовский лесомелиоративный стационар [2]. В 1977-1990 гг. проводились исследования и на севере Карелии - на маломощных торфах в совхозе Ухтинский (Калевала). Эти

стационары стали местом проведения широких ком -плексных исследований как природных, так и осваиваемых болотных ландшафтов для многих научных подразделений Карельского филиала АН СССР при участии российских и зарубежных ученых.

Основные направления исследований на Корзин-ском стационаре - изучение климатических, геоморфологических и гидрогеологических условий формирования торфяных и минеральных почв с целью разработки методов и способов осушения, путей преобразования водного и теплового режимов, гидрофизических и гидрологических свойств для повышения продуктивности минеральных и торфяных почв.

Наряду с круглогодичными исследованиями на стационарах проводились обширные экспедиционные работы практически во всех районах Карелии по оценке мелиоративного фонда. Выполнено мелиоративное районирование территории республики с определением основных направлений, методов и способов осушения и освоения торфяно-болотных почв в различных почвенно-климатических условиях [3-6 и др.]. Эти разработки вошли также составной частью в Почвенно-мелиоративную карту Нечерноземной зоны РСФСР, изданную в МГУ (1982), Атлас Карельской АССР (1989). Работы по проблеме СЭВ «Рациональное использование и охрана болот с учетом их функций в природе» проводились в 80-е годы в тесном содружестве ученых Карелии, Белоруссии, Польши, Чехословакии, Венгрии. Комплексная оценка природных и нарушенных болотных экосистем завершилась выработкой предложений и рекомендаций по рациональному природопользованию, которые неоднократно представлялись и награждались за экспозиции на ВДНХ СССР, в докладах на международных конгрессах, съездах, симпозиумах [7, 8].

Материалы исследований комплексной Косто-мукшской экспедиции по всесторонней оценке и направлениям рационального использования природных ресурсов Северной Карелии, созданию собственной продовольственной базы были использованы при проектировании и строительстве крупного горно-обогатительного комбината и нового города Костомукша. Они же послужили серьезным научным обоснованием для создания заповедника «Костомукшский» и последующей организации на его основе и ряда близлежащих охраняемых территорий Финляндии природного парка «Дружба».

В последние годы объемы стационарных полномасштабных наблюдений резко сокращены как и объемы мелиоративных работ в республике (с 4-5 тыс. гектаров за год в конце 80-х до 200400 га в настоящее время). На Корзинском стационаре до 2004 г. еще продолжались отдельные исследования по программе природно-мелиоратив-

ного мониторинга, влиянию мелиорации на прилегающий водосбор. На основе этих исследований разработаны математические модели, предложены методы прогноза теплового и водного режимов почв, формирования дренажного и поверхностного стока, максимальных расходов.

Более подробно остановимся на результатах изучения влияния осушения на свойства и режимы почв, выполненных ранее и частично опубликованных.

Длительное (до 40 лет) изучение температурного режима болотных почв позволило опровергнуть часто высказываемое мнение об общем отрицательном влиянии осушения. Было показано, что некоторое ухудшение в предвесенний и ранневесенний периоды (большая глубина промерзания, более длительное оттаивание - до середины, а иногда и до конца мая) компенсируется улучшением тепловых свойств и температурного режима в основной период вегетации. В июне температура в пахотном слое почвы практически выравнивается, а в июле-августе осушенные торфяные почвы на

0.4-0.70 °С теплее неосушенных [9]. В северном регионе и в Карелии осушенные торфяники используются в основном под посевами многолетних трав. Начало вегетации их определяется по переходу среднесуточной температуры воздуха через 5 °С. По данным наблюдений, на Корзинской низине были получены линейные тренды сумм активных температур воздуха за период с 1961 по 2000 гг. Они выявили положительную тенденцию как для суммы Т > 5 ° - среднее увеличение на 12 ° за теплый период, так и порядка 10 ° в год для суммы Т > 10 °С (рис. 1).

Уравнения связи сумм среднесуточных температур выше 5 ° и 10 ° со среднегодовыми температурами воздуха Т имеют следующий вид:

It>5° = 1634 -!t>1o° = 1328

118T , - 128T,

R = 0.76, R = 0.75,

где R - коэффициент корреляции.

Рис. 1. Тренды сумм температур воздуха более 5 и 10 °С на Корзинском стационаре

На северо-западе России отмечается и более ранний переход приземной температуры воздуха через 0.5 и 10 ° в сторону положительных температур. Анализ данных наблюдений на Корзинском стационаре при усреднении дат перехода по пятилетиям показал, что более ранние переходы температуры воздуха через 5 и 10 ° наблюдались в последнее десятилетие (рис. 2). На этом рисунке показано также увеличение продолжительности периодов с суммами температур воздуха более 5 и 10 градусов, усредненных по пятилетиям, составляющее в среднем 15 %. Подтверждается и характеристика 90-х годов как самого теплого десятилетия ХХ в.

почвах в период вегетации находились в пределах оптимальных значений (60-85 % от полной влаго-емкости). На рис. 3 представлены данные 30-летних наблюдений за влагозапасами, суммированные для слоев 0-20 и 0-50 см. На участках грунтовонапорного водного питания с 1974 г. с ростом количества осадков наблюдались в отдельные сезоны и годы увеличение влагозапасов до полной влаго-емкости и улучшение режима после реконструкции дренажной сети. На участке атмосферного питания, наоборот, в первые годы после осушения происходил иногда снижение влагозапасов ниже оптимальной границы и постепенное повышение к верхней (0.85 % ПВ) с уменьшением глубины дрен. Так как дощатый дренаж, заложенный в 1963 г., находится в хорошем состоянии, регулирование (углубление) потребовалось на открытой проводящей сети каналов.

Рис. 2. Продолжительность периода с температурами воздуха выше 5(1) и 10 °С (2) и даты перехода температур воздуха через 5 °С (3) и 10 °С (4), осредненных по пятилетиям за 1965-2000 гг.

Продолжительные исследования позволили выявить тот факт, что стабилизация воднофизических свойств торфяных почв происходит через 10-15 лет после осушения. Осадка и сработка торфа в условиях севера существенно ниже, чем в более южных регионах. Ее величина в условиях Южной Карелии в период строительства осушительной сети и первые 2-3 года после его завершения достигала 50-100 мм в год. После стабилизации величины объемной массы сработка торфа не превышает 6 мм/год [10-11]. Однако за период более 20 лет послестроительная и эксплуатационная осадка и сработка торфа достигают 50-60 см, что ведет к уменьшению глубины заложения дрен до 0.6-0.8 м от поверхности, ухудшению водного режима почв. Реконструкция дренажных систем по предложенной схеме с сохранением старой действующей сети и созданием двухъярусных систем (новые дрены заложены в промежутках между старыми на большую глубину) при снижении объемов земляных работ позволила значительно улучшить регулирование гидрологических свойств и режимов в различные по климатическим условиям годы.

В преобладающее число лет за весь период наблюдений (1964-1993 гг.) влагозапасы в торфяных

Рис. 3. Осадки в июле-августе 1963-1994 гг. (1) и запасы влаги в осушенных торфяных почвах Корзинской низины (Республика Карелия): в слое 0-20 см на участках атмосферного

(2) и напорного (3) водного питания, в слое 0-50 см (4) и (5) соответственно, как ежегодные, так и сглаженные по полиному 3-й степени.

Следует отметить взаимозависимость влагоза-пасов по профилю торфяной залежи. Даже в летний период, когда уровни грунтовых вод (УГВ) понижаются до 120-150 см (при высоте капиллярного поднятия до 100 см), коэффициенты корреляции R запасов влаги в слое 0-20 см с таковыми же для слоев 0-50 и 0-100 см составляют 0.61 и 0.70, а для слоя 0-50 и 0-100 см соответственно 0.90. Следовательно, грунтовые воды в осушенных торфяных почвах могут в достаточной степени обеспечивать влагой корнеобитаемый слой даже в сухие периоды.

Понижение уровней грунтовых вод к концу зимы до 100-150 см от поверхности почвы создает значительную водоаккумулирующую емкость, благодаря чему весной 30-70 % запаса воды в снеге идет на инфильтрацию и пополнение почвенных

влагозапасов, снижаются объемы поверхностного стока, а соответственно, и эрозия, вынос взвешенных и растворенных веществ в водоприемники.

Подземный вертикальный водообмен торфяника с нижележащими горизонтами играет существенную роль в формировании водного режима и стока. При наличии притока подземных вод, что характерно для низинных и переходных болот Карелии, расположенных обычно в понижениях рельефа, увеличивается устойчивость нарушенных экосистем, обеспечивается лучшее регулирование водного режима при значительных колебаниях климатических условий. В большинстве случаев испарение за лето превышает величину осадков. В торфяных почвах эта разница компенсируется влагозапасами почво-грунтов, а также поступающими к корнеобитаемому слою грунтовыми водами. Величина притока их к слою 0-20 см за вегетационный период на Кор-зинской низине составила 10-15 % от количества осадков. При известной тенденции увеличения годовых осадков в северном полушарии годовой объем стока в первые 15-20 лет после осушения болота уменьшался. После реконструкции сети наблюдалось его увеличение на малых водосборах за счет подземной составляющей.

Преобразование условий формирования сезонного стока рек обусловлено возрастающим влиянием испарения с осушаемых, занятых сельскохозяйственными культурами болот и увеличением дренирующей способности водосборов [10, 12].

Региональной особенностью Карелии является высокий поверхностный сток как на естественных, так и осушаемых болотах в период весеннего половодья. Такое явление обусловлено высоким стоянием уровней воды в природном торфянике и формированием мерзлого слабо водопроницаемого слоя в торфяной почве после осушения. Исследования в бассейнах рек Олонка и Шуя, имеющих заболоченность до 15 % и в большей степени дренированных для использования в сельском и лесном хозяйстве, показали, что осушение не оказало существенного влияния на речной сток [10, 11, 12].

В Южной Карелии сосредоточено более 85 % сельскохозяйственных угодий, в том числе более

95 % осушенных, из них площадь освоенных торфяников превышает уже 30 %. По результатам многолетних гидромелиоративных исследований получены всесторонние статистически достоверные характеристики, которые показывают, что осушение болот в условиях европейского севера не ведет к серьезным отрицательным последствиям, а климатические условия благоприятны для получения двух укосов многолетних трав с урожаями сена до 40-50 ц/га, однолетних на зеленую массу - до 300 ц/га. Расширению площадей под зерновые культуры (рожь, овес, ячмень), что наблюдается в последние годы в связи с необходимостью обеспечения зернофуражом собственного поголовья скота, способствует общая тенденция к потеплению климата в последние годы. Это подтверждается как полученными нами данными для Южной Карелии, так и прогнозами для всего северного полушария.

В условиях европейского севера России сель-ско- и лесохозяйственные мелиорации, затрагивающие обычно не более 10 % площади бассейна озерно-речных систем, не оказывают существенного значения на их гидрологический режим. При некотором снижении уровней прилегающего озера (менее 2 % от его средней глубины) отмечается регулирующее влияние мелиораций при росте продуктивности сельскохозяйственных и лесных земель. Снижаются максимальные весенне-летние уровни, вариабельность их [13, 14]. При некотором снижении зимних уровней озера практически неизменными сохраняются минимальные уровни в теплый период года, что обусловлено дренирующей ролью мелиоративной сети и увеличением притока грунтовых вод. Это свидетельствует о сохранении устойчивости озерно-речной системы в экстремальных условиях при незначительных антропогенных нагрузках в природных ландшафтах Карелии. Полученные взаимосвязи уровней озера с предшествующими гидрометеорологическими условиями позволяют прогнозировать ожидаемые как экстремальные, так и сезонные уровни.

Поступила в редакцию 07.02.2008

Литература

1. Ларинин В.Н. О закрытом дренаже минеральных избыточно-увлажненных земель и торфяных болот в Карельской АССР // Мелиорация сельскохозяйственных и лесных угодий северо-запада СССР. Петрозаводск, 1962. С. 62-69.

2. Мелиоративно-болотные стационары России. Составители: Б.С. Маслов, В.К. Константинов, Б.В. Бабиков, Э. Ахти. СПб., 2006. 398 с.

3. Нестеренко И.М. Методы исследования промерзающих торфяных и минеральных почвогрунтов КАССР // Метеорология и гидрология,

1971. № 3. С. 58-65.

4. Нестеренко И.М. Мелиорация земель европейского севера СССР. Л., 1979. 360 с.

5. Водный и тепловой режимы осушаемых почв Карелии. Петрозаводск, 1981. 112 с.

6. Пути повышения эффективности мелиораций. Петрозаводск, 1990. 148 с.

7. Nesterenko I.M. Subsidens and wearing out of peat soils as a result of reclamation and agricultural utilization of marshland // Proc. of the V IPC., Vol. I, Poznan, Poland, 1976, p.p. 218-234.

8. Nesterenko I.M., Sinkevitsch E.I. Mire drainage and change of suspended substance and solute removal into water courses // Proc. of IX IPC, Uppsala, Sweden, 1992, p.p. 285-295.

9. Нестеренко И.М. Геоэкология: явления трансформации и динамики изменения водного и теплового режимов осушенных торфяных почв Карелии // Инженерная экология. 1999. № 1. С. 27-36.

10. Карпечко Ю.В., Нестеренко И.М. Водный и тепловой режимы осушаемых болот и заболоченных земель в Карелии. Петрозаводск, 1996. 120 с.

11. Маслов Б.С., Нестеренко И.М. Изменение свойств торфяных почв под влиянием осушения и использования в центре и на севере России // Мелиорация и водное хозяйство. 2002. № 2. С. 23-26.

12. Нестеренко И.М., Матвеев С.Л. Гидрологические последствия изменений климата и влияния мелиораций на речной сток в Южной Карелии // Инженерная экология. 2006. № 5. С. 27-36.

13. Нестеренко И.М. Оценка влияния гидрометеорологических факторов на режим изменения уровня Сямозера при осушительной мелиорации. Водные ресурсы. 2002. Т. 29. № 2. С. 235-237.

14. Нестеренко И.М. Оценка изменений гидрологических процессов в озерно-речных системах Южной Карелии. В кн.: Климат Карелии: изменчивость и влияние на водные объекты и водосборы. 2004. С. 78-87.