Зависимость изменчивости гидрологических и гидрохимических свойств стока от ландшафтной структуры бассейна в таежной зоне
- Авторы: Хорошев А.В.1, Лукьянова А.Н.1, Косицкий А.Г.1, Школьный Д.И.1
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
- Выпуск: Том 151, № 1 (2019)
- Страницы: 45-60
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.eco-vector.com/0869-6071/article/view/11250
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0869-6071151145-60
- ID: 11250
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Цель исследования — выявление зависимости межгодовой и межсезонной изменчивости гидрохимических и гидрологических показателей в нижнем створе бассейна малой реки от ландшафтной структуры бассейна в целом. На примере бассейна р. Заячья (Устьянский район Архангельской области) и бассейнов ее притоков, различных по степени распаханности и лесистости, проверялась гипотеза о существовании регионально-специфичных соотношений площадей и взаиморасположения видов урочищ и земельных угодий, при которых достигается стабилизация (низкая изменчивость) гидрологического и гидрохимического режима. Использованы сезонные измерения 2013—2017 гг. в 12 створах. На основе корреляционного анализа установлено, что сокращение лесных и расширение пахотных и луговых угодий в сильнорасчлененном агроландшафте приводит к формированию ряда новых эмерджентных свойств геосистем речных бассейнов: переходу вод из кальциевой группы в магниевую, изменению амплитуд колебаний гидрохимических характеристик и модуля стока. Создание агроландшафтов приводит к снижению межгодовой неравномерности и росту модуля стока. Под лесным покровом сохраняются естественные колебания химического состава вод, обусловленные значительными различиями минерализации в многоводные и меженные периоды. При снижении лесистости ниже 30 % площади бассейна содержание ионов гидрокарбонатов, кальция, магния в водах рек во время весеннего половодья, несмотря на сильное разбавление, становится сопоставимым с высокими содержаниями, характерными для меженных периодов.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
Свойства каждой территориальной единицы ландшафта являются результатом синергизма во взаимодействиях большой группы пространственных элементов, упорядоченных в какой-либо тип ландшафтных структур [10]. Выбрав соответствующий способ описания мозаичности территории, можно адекватно объяснить пространственную и временну́ю вариабельность того или иного свойства компонентов ландшафта. Для описания внутренней мозаичности речных бассейнов и моделирования стока введены понятия: стокоформирующий комплекс, ландшафтно-гидрологический комплекс [4, 5], которые обозначают квазиоднородную по условиям формирования стока часть территории бассейна. Современный ландшафтно-гидрологический подход основывается на представлениях о соответствии и взаимообусловленности ландшафтных и гидрологических территориальных структур для объяснения различий стока рек и изменений стоковых и водно-балансовых соотношений при изменении ландшафтной обстановки [9]. Сравнение свойств пространственной структуры, формирующихся при разных соотношениях площадей элементов ландшафтного покрова в бассейне, позволяет выявить их пороговые значения, при которых может достигаться тот или иной эмерджентный эффект, необходимый для территориального планирования хозяйства и природоохранных мер. В нашем исследовании в качестве исследуемого компонента выступали поверхностные воды, а в качестве предиктора — соотношения площадей элементов ландшафтного покрова в бассейне. В качестве показателя эмерджентного эффекта рассматривалась изменчивость гидрологических и гидрохимических характеристик для водосборных бассейнов разного порядка. Появление новых свойств геосистемы при превышении критического порога трансформации ее ландшафтной структуры квалифицировалось нами как проявление эмерджентных эффектов. Практический смысл подобных исследований заключается в том, что соотношение и взаиморасположение угодий в бассейне, параметры буферных зон для регулирования нежелательных потоков могут быть предметом специальных планировочных решений [14—16].
Цель исследования — выявление зависимости межгодовой и межсезонной изменчивости гидрохимических показателей и межгодовой изменчивости гидрологических показателей в нижнем створе бассейна малой реки от ландшафтной структуры бассейна в целом. Проверялась гипотеза о существовании регионально-специфичных соотношений площадей и взаиморасположения видов урочищ и земельных угодий, при которых достигается стабилизация (низкая изменчивость) гидрологического и гидрохимического режима. Поставлены следующие вопросы: 1) каким образом лесистость и распаханность отражаются на модулях стока и амплитудах колебания стока, 2) каковы источники основных ионов в поверхностных и подземных водах и меняются ли они по сезонам, 3) как варьирование пространственных пропорций угодий между малыми бассейнами в агроландшафте отражается на изменчивости гидрологических и гидрохимических характеристик.
Материалы и методы
Исследуемый бассейн р. Заячья (152 км2) расположен в южной части Устьянского района Архангельской области. Заячья — правый приток р. Кокшеньги, впадающей в р. Устья, которая в свою очередь принадлежит бассейну р. Ваги. Бассейн расположен целиком в пределах среднетаежного ландшафта структурно-эрозионно-моренной волнистой равнины с неглубоким залеганием пермских мергелей с сочетанием мелколиственно-еловых лесов на подзолистых почвах и болот, частично распаханной в дренированных местностях [10]. По литологическим условиям стокоформирующие комплексы отличаются мощностью песчано-супесчаного плаща и моренных суглинков, что определяет и размещение хозяйственных угодий.
Леса представлены 40—70-летними вторичными березово-сосновыми древостоями с елью во 2-м ярусе на торфянисто-подзолистых и подзолистых почвах, часто с вложенным субпрофилем альфегумусового подзола. Они занимают внутренние плоские части междуречий, удаленные от бровок, как правило, на расстояние 400—700 м, где песчано-супесчаный озерно-ледниковый плащ имеет повышенную мощность (30—70 см) и подстилается тяжелыми моренными суглинками (мощность до 20 м). В верхних (потенциально пахотных) горизонтах средние концентрации обменного кальция составляют 7 ммоль/100 г, обменного магния — 1.6 ммоль/100 г, средний рН водный составляет 5.18. Оглеение почв на контакте с суглинистым водоупором делает распашку нецелесообразной. Пахотные угодья в таких местоположениях в прошлом подвергались осушительным мелиорациям, но после 1990-х гг. были заброшены и активно зарастают ивняками и березняками (рис. 1).
Рис. 1. Ландшафтный покров бассейна р. Заячья и фактический материал.
1—8 — бассейны малых рек, регулярно опробованных в нижнем створе; 9—11 — опробованные створы р. Заячья; 12—14 — разовые весенние опробования малых рек с интервалом в один день. Черными кружками показаны все точки опробования, включая весенние измерения на временных водотоках.
1 — болота, 2 — лесная поросль и молодняки до 20 лет, 3 — залежи и луга, 4 — леса, 5 — пашни, 6 — застроенные и запечатанные территории, 7 — границы бассейнов, 8 — точки отбора проб, 9 — крутые склоны с выходами мергелей.
В прибровочной дренированной части плоских междуречий и на пологих придолинных склонах мощность плаща легких отложений сокращается до 10—20 см, что позволяет проводить распашку неоглеенных подзолистых почв на протяжении не менее семи столетий. На склонах долин с уклонами 5—12° в естественном состоянии были распространены дерново-подзолистые и серогумусовые почвы, сформировавшиеся на маломощных (5—15 см) моренных суглинках, подстилаемых пермскими мергелями (рис. 1). В пахотных горизонтах таких урочищ средние концентрации обменного кальция составляют 19 ммоль/100 г (диапазон значений 6—37 ммоль/100 г), обменного магния — 6 ммоль/100 г (диапазон 1—10 ммоль/100 г), средний рН водный составляет 7.72 (диапазон 6.84—8.59). Высокое по среднетаежным меркам плодородие таких почв благоприятствует распашке. Одна из причин повышенной жесткости вод (до 7.5—8.2 мг-экв/л в период межени) — смыв при распашке маломощных почв со склонов, сложенных мергелями, особенно при отсутствии террасы, выполняющей функцию буфера [1]. Местами река непосредственно подмывает крутые коренные склоны.
Наряду с безлесными угодьями, в долинах р. Заячьей и ее притоков — рек Стругницы, Козловки, Межницы, Камешницы — присутствуют и склоновые леса, препятствующие смыву почв и вовлечению мергельного материала в миграцию (рис. 1). Распашке подвержены также широкие делювиальные шлейфы у подножий склонов, сложенные суглинистым материалом, и цокольные террасы с чехлом песков на моренных суглинках, подстилаемых мергелями.
Луговые сенокосные угодья приурочены к поймам. Суходольные луга встречаются в каждом бассейне на крутых, ранее распахивавшихся склонах, а также в периферийной части плоских междуречий в местоположениях, наиболее удаленных от дорог и населенных пунктов.
Все населенные пункты расположены в прибровочных дренированных частях междуречий, многие из деревень — на мысообразных узких водораздельных поверхностях между двумя долинами. Территория хорошо исследована и обеспечена серией ландшафтных карт масштабов 1:50 000 и 1:10 000 [10, 11].
Гидрологические и гидрохимические исследования в бассейне р. Заячья с измерением расходов воды и отбором проб на содержание растворенных веществ по сезонам проводятся с 2013 г. Ранее в 1994—2000 гг. также проводились сезонные гидрохимические наблюдения. Регулярные измерения проводятся в 12 створах, из которых три расположены на р. Заячья, восемь — в нижних створах ее притоков, один — на роднике; кроме того, в весенние и влажные летние сезоны проводилось дополнительное гидрохимическое исследование серии вре́менных водотоков и постоянных ручьев (рис. 1). К настоящему времени проведено 14 экспедиций. Они пришлись на разные фазы водного режима. Пять экспедиций выпали на период устойчивой межени: три зимние и две летние. Именно меженные гидрологические измерения позволяют выявить основные пространственные закономерности формирования стока, поскольку в данную фазу водного режима все водотоки находятся в относительно однородных условиях.
Гидрологические и гидрохимические свойства водотоков зависят от их размеров. Характеристикой, определяющей размер водотока, могут служить его длина, площадь водосбора, протяженность речной сети и др. Проведенные ранее исследования [3] показали, что для гидрологических исследований удобной характеристикой является порядок реки, определяемый методом А. Шайдеггера [13]:
N = log 2 P + 1,
где P — количество водотоков первого порядка в бассейне реки. Под водотоком первого порядка понимается река, не имеющая притоков.
Измерения проведены в близкорасположенных бассейнах 1—4-го порядков сходных размеров, отличающихся по пропорциям склоновых и плоских поверхностей, лесистости в целом и на склонах, распаханности в целом и на склонах (рис. 1, цифры 1—8). Эти бассейны включены в бассейн р. Заячьей, на которой измерения производились в трех створах (рис. 1, цифры 9—11).
Порядок р. Заячьей по методу Шайдеггера определен как 4.9 на выходе из верхней залесенной части бассейна (створ у д. Орюковская), 5.8 — в центре агроландшафта в средней части бассейна после впадения водотоков из частично залесенных бассейнов (д. Заячерецкий Погост), 6.3 — на выходе из агроландшафта в нижней части бассейна (створ у д. Ульяновская). Для каждого из 12 створов проведено осреднение измеренных в меженный период расходов воды. В результате получены условно характерные меженные расходы воды Qу.м., соответствующие каждому створу. С их помощью получены условно характерные меженные модули стока рек Mу.м.. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины полученных расходов воды и модулей стока мало информативны, поскольку они отражают конкретные условия, соответствующие периоду проведения измерений. Однако значения Qу.м. и Mу.м. вполне пригодны для сравнения меженного стока разных рек. Кроме того, для каждого створа рассчитано среднеквадратичное отклонение меженных расходов воды для предварительной оценки изменчивости меженного стока.
Определение содержания ионов гидрокарбоната в водах проводилось объемным ацидометрическим методом [12], определение остальных основных ионов — на системе капиллярного электрофореза «Капель» [6], концентрации минерального и валового фосфора определялись на спектрофотометре по методу Морфи—Райли [8].
Результаты
Обычно меженные модули стока увеличиваются с ростом залесенности водосборов, поскольку лес способствует более интенсивной инфильтрации воды в подземные водоносные горизонты. Это приводит к сокращению поверхностного стока в период дождей и снеготаяния за счет пополнения подземных вод, которые срабатываются в меженный период, увеличивая меженный сток. В нашем случае с ростом лесистости, напротив, наблюдалось уменьшение модулей стока (рис. 2, а). В летние меженные периоды модуль стока составляет 1.7—4.4 л/с ∙ км2 в бассейнах с лесистостью более 30 %, 2.9—5.4 л/с ∙ км2 — при лесистости менее 30 %. В наиболее влажное лето 2017 г. коэффициент корреляции Спирмена между модулем стока и лесистостью (с возрастом древостоя 30 лет и более) составил 0.57.
Рис. 2. Характеристики зависимости модуля стока и его изменчивости от ландшафтной структуры бассейна.
а — соотношение условных меженных модулей стока и залесенности водосборов рек; б — зависимость среднеквадратичного летнего меженного стока от распаханности бассейна.
Относительная изменчивость модуля стока (среднеквадратическое отклонение измеренных значений), рассчитанная с учетом данных, относящихся к устойчивой межени, снижается по мере роста распаханности бассейна (рис. 2, б), но увеличивается при росте лесистости. Это свидетельствует о двух противоположных ситуациях, способствующих росту изменчивости модуля стока: полной залесенности и почти полной распаханности бассейна. При некоторых промежуточных соотношениях угодий сток стабилизируется, что давно отмечалось в литературе [7]. Невысокий коэффициент корреляции между распаханностью водосборов и относительной изменчивостью модулей стока объясняется зависимостью последней характеристики от размера реки. Известно, что с ростом размера водотока изменчивость гидрологических характеристик снижается. Если представить среднеквадратичное отклонение меженных модулей стока как функцию двух переменных: порядка реки и распаханности бассейна, то коэффициент множественной корреляции составит 0.64.
Исследованные водотоки по классификации О. А. Алекина [2] относятся к гидрокарбонатному классу, кальциевой или магниевой группе. Соотношение основных ионов в поверхностных и грунтовых водах варьирует в пределах ландшафта в соответствии с разным участием карбонатной морены московского возраста и пермских мергелей в формировании литогенной основы долины р. Заячьей и в бассейнах ее боковых притоков (см. таблицу). Воды восточной и южной, более залесенной, части бассейна р. Заячьей почти всегда принадлежат к кальциевой группе и характеризуются превышением содержания Ca2+ над Mg2+, западного обезлесенного сектора — чаще наоборот. Это объясняется сокращением в западном направлении мощности моренного чехла, ростом доли крутых (более 8°) коренных склонов, соответствующих выходам мергелей на поверхность (21 % в бассейне р. Стругницы, 30—35 % в бассейнах Становской балки и р. Смутихи), а также ростом распаханности до 55—82 % (рис. 1). В водах родника Святого, дренирующего грунтовые воды, сформированные на мергельных пластах, во время усиленного промывания отложений в многоводные весенние и осенние сезоны отношение Ca/Mg (в мг-экв/л) уменьшается до 0.2—0.62, в то время как в летнюю межень оно возрастает и наиболее сильно — до 0.81—0.85 — во влажные летние периоды (2014 и 2017 гг.). В зимнюю межень воды могут возвращаться в кальциевую группу: отношение Ca/Mg составляет 1.08.
Гидрологические и гидрохимические характеристики исследованных бассейнов
Название водотока, пункт опробования | Площадь бассейна, км2 | Лесистость, % | Условный меженный модуль стока л/с ∙ км2 | Среднеквадратичное отклонение модуля стока, % | Mg2+, весна (верхн.) и лето (нижн.), мг/л | Mg2+, ср. квадр. отклонение, все сезоны, мг/л | Ca/Mg,весна (верхн.) и лето (нижн.), среднее значение | SO42–, весна (верхн.) и лето (ниж.), среднее значение, мг/л | SO42–, ср. квадр. отклонение, все сезоны, мг/л | Cl–, весна (верхн.) и лето (нижн.) среднее значение, мг/л | Cl–, ср. квадр. отклонение, все сезоны, мг/л | Pорг., среднее, меженные периоды, мкг/л | Pорг., ср. квадр. отклонение, меженные периоды, мкг/л |
Заячья, д. Орюковская | 57.8 | 65.33 | 1.8 | 127 | 4.52 16.54 | 10.07 | 1.11 0.99 | 3.21 3.41 | 3.00 | 0.60 1.65 | 1.68 | 19.29 | 7.60 |
Заячья, с. Заячьерецкий Погост | 84.3 | 57.47 | 2.4 | 64 | 7.66 28.81 | 12.01 | 1.05 0.84 | 3.38 2.59 | 1.92 | 0.58 1.67 | 0.80 | 15.77 | 12.02 |
Заячья, д. Ульяновская | 122.0 | 47.62 | 3.2 | 45 | 10.53 30.22 | 9.74 | 0.86 0.79 | 8.11 14.15 | 12.79 | 1.11 2.92 | 1.88 | 11.31 | 8.24 |
Реки восточного и южного секторов с повышенной лесистостью водосборов | |||||||||||||
Стругница | 8.03 | 75.92 | 1.7 | 83 | 10.96 28.59 | 13.47 | 1.16 0.65 | 6.00 11.08 | 14.10 | 4.16 3.03 | 4.10 | 10.99 | 5.85 |
Козловка | 2.52 | 33.89 | 2.1 | 142 | 14.03 29.14 | 12.24 | 1.08 0.59 | 2.84 1.97 | 2.52 | 0.91 1.24 | 1.41 | 14.02 | 16.65 |
Межница Заячьерецкая | 10.6 | 35.44 | 4.4 | 35 | 16.76 32.28 | 10.86 | 1.03 0.71 | 1.66 3.15 | 2.43 | 1.08 5.66 | 2.26 | 15.25 | 13.38 |
Межница | 17.6 | 41.85 | 3.7 | 43 | 15.30 37.31 | 13.09 | 0.88 0.55 | 4.60 7.14 | 4.80 | 1.35 5.46 | 4.55 | 13.13 | 6.22 |
Реки западного и северного секторов с повышенной распаханностью водосборов | |||||||||||||
Становская | 1.60 | 8.26 | 5.4 | 41 | 33.17 31.93 | 4.47 | 0.88 0.50 | 6.02 7.43 | 3.06 | 6.43 5.58 | 3.07 | 4.16 | 2.73 |
Смутиха | 2.31 | 11.24 | 3.8 | 57 | 29.72 30.45 | 9.63 | 0.83 0.80 | 6.31 5.82 | 2.59 | 8.98 7.34 | 3.94 | 7.81 | 2.34 |
Мозголиха | 3.05 | 29.03 | 2.9 | 83 | 22.03 40.61 | 13.10 | 0.88 0.66 | 3.31 3.86 | 1.64 | 1.60 3.68 | 1.68 | 10.87 | 5.94 |
Камешница | 2.75 | 4.19 | 3.6 | 71 | 32.10 47.73 | 12.82 | 1.00 0.81 | 7.95 11.73 | 7.73 | 11.44 14.53 | 9.96 | 65.90 | 58.63 |
Родники | |||||||||||||
Святой | — | — | — | — | 38.32 36.73 | 5.15 | 0.36 0.66 | 5.22 4.84 | 1.57 | 2.87 3.56 | 1.57 | 5.76 | 4.45 |
В зимнюю межень, когда велика доля подземного питания, корреляция между концентрациями ионов Ca и Mg в водах рек отсутствует (рис. 3, а). Во время половодья весной 2013, 2015 и 2017 гг. и осенью 2013—2014 гг. в паводок наблюдалась строгая корреляция содержания ионов гидрокарбоната, кальция и магния, что показывает сходство источников их в поверхностных водах (рис. 3, б). Выбиваются из этой закономерности только воды родников.
Рис. 3. Отношение концентраций кальция и магния в водотоках в зимнюю межень (а) и в весенний паводок (б) 2013 г. и зависимость концентраций магния от распаханности бассейна в весенний паводок 2013 г. (в).
Концентрации ионов магния в постоянных водотоках в весенний и осенний многоводный период прямо пропорциональны доле пашен и обратно пропорциональны доле лесов в бассейне (рис. 3, в). Особенно сильный скачок характерен при снижении лесистости до 7—8 % и росте распаханности до 64—82 % в бассейнах рек Смутихи, Становской балки, Камешницы. Следовательно, при господстве поверхностного стока во время весеннего снеготаяния общим источником этих ионов являются размываемые карбонатные почвы крутых склонов. В зимнем стоке рек (почти целиком связанным с подземным питанием) источники магния и кальция различаются — соответственно пермские мергели и карбонатная московская морена.
Для остальных ионов полученные результаты показывают более слабую связь с особенностями морфолитогенной основы и в то же время зависимость от хозяйственной деятельности. Поверхностные воды самых распаханных бассейнов (реки Смутиха, Камешница и Становская) выделяются наиболее высоким содержанием сульфатов и хлоридов в весенних водах, так как происходит интенсивное вымывание из почв продуктов минерализации осеннего опада и внесенных удобрений, а также смыв отходов коммунального хозяйства деревень и животноводческой фермы, расположенных в верхней части водосборов, что позволяет расценивать эти ионы как один из компонентов загрязнения (см. таблицу). Показательно сравнение вод ручьев Смутиха и Становской балки, сопоставимых по площади, лесистости и доле крутых мергельных склонов. Воды Смутихи, имеющей контакт с бытовым загрязнением д. Нагорская, обогащены хлоридами, нитратами, органическим фосфором, нитритами. В Становскую балку не поступают воды с бытовыми загрязнениями, но бассейн ее распахан на 82 % (против 64 % в бассейне Смутихи), вследствие чего воды в летний период имеют более высокую концентрацию сульфатов и кальция. Грунтовые воды родников содержат минимальное количество органического и минерального фосфора по сравнению с поверхностными водами.
Сравнение проб воды, отобранных с разницей в 1 день 28—29.04.2013 г. в верхнем течении Межницы выше д. Алексеевской (площадь 2.55 км2, лесистость 73 %) (рис. 1, цифра 12), ее правом коротком притоке напротив д. Алексеевской (площадь 0.75 км2, лесистость 53 %) (рис. 1, цифра 13) и в левом притоке р. Серебрянки (площадь 1.43 км2, распаханность водосбора 60 %, лесистость 19 %) (рис. 1, цифра 14) выявило процесс смены источников питания и ее отражения в составе вод. Содержание всех основных ионов увеличилось в притоках с маленьким водосбором, но уменьшилось в верхнем течении Межницы с почти полностью залесенным водосбором. Для притоков это означало почти полное прекращение снеготаяния и притока снеговых маломинерализованных вод и переход к питанию поверхностно-склоновыми водами большей минерализации и далее к питанию почвенными и грунтовыми водами. В динамике вод Межницы проявилось, наоборот, усиление снеготаяния на лесном водосборе (более позднего по сравнению с полевым) и разбавление стока. В то же время в Межнице, в отличие от притоков, концентрация органического фосфора за день возросла с 22 до 45 мкг/л; фосфор начал активно выноситься из лесной подстилки по мере активизации снеготаяния.
Установлено влияние ландшафтного покрова бассейнов на сезонную и межгодовую вариабельность химического состава вод. Рост лесистости и снижение распаханности способствуют в меженные периоды увеличению вариабельности содержаний гидрокарбонатов, калия, органического фосфора, минерализации (рис. 4, а). При расчете вариабельности с включением данных меженных периодов и трех весенних половодий рост лесистости увеличивает диапазон изменений кальция, магния, гидрокарбонатов, минерализации (рис. 4, б). Как и рост изменчивости модуля стока, это происходит благодаря наличию значительно отличающихся периодов поступления воды из тающего снега по еще замерзшей почве и из грунтовых вод. Наибольшие внутригодовые колебания минерализации характерны для самых залесенных бассейнов — р. Стругницы и верхнего течения р. Заячьей (выше Орюковской). В наиболее распаханных и обезлесенных бассейнах р. Смутихи и, особенно, Становской балки весеннее снеготаяние вовлекает в сток большие объемы вещества распахиваемой почвы и коры выветривания мергелей, поэтому свойства поверхностного стока мало отличаются от характеристик летнего стока, обусловленного подземным питанием, всегда обогащенного кальцием и магнием (см. таблицу). Среди всех исследованных бассейнов для Становской балки характерны наименьшие межсезонные колебания содержаний гидрокарбонатов, магния, натрия, калия, органического фосфора. Отметим, что по минимальной изменчивости концентраций магния в меженные периоды ручей Становской балки сопоставим с родниками.
Рис. 4. Зависимость изменчивости (среднеквадратическое отклонение) концентраций гидрокарбонатов от лесистости бассейна.
а — в зимние, летние и осенние периоды 2013—2017 гг.; б — во все сезоны 2013—2017 гг., включая весеннее половодье.
В стоке из водосборов с лесистостью более 25 % наблюдаются существенные сезонные колебания (см. таблицу): например, среднеквадратическое отклонение концентраций органического фосфора в меженные периоды составляет от 5.8 до 16.6 мкг/л, в то время как в бассейнах с низкой лесистостью — только 2.3—5.9 мкг/л (исключение — сильно загрязненная р. Камешница).
При сравнении малых бассейнов сопоставимой площади, рост распаханности на них снижает изменчивость содержания ионов гидрокарбоната, кальция, магния в водах; при этом варьирование переходит в более узкий диапазон значений по сравнению с залесенными бассейнами, но при более высоких концентрациях. Рост лесистости, наоборот, повышает изменчивость гидрохимических характеристик, наиболее зависящих от геологического строения. Рост доли луговых угодий вызывает увеличение изменчивости концентраций хлоридов и минерального фосфора, но снижение изменчивости концентраций гидрокарбонатов и минерализации. Таким образом, очевидно, что возвращение к фоновому гидрохимическому режиму — достаточно высокой изменчивости концентраций гидрокарбонатов и связанных с ними катионов — возможно только при повышении лесистости; замена пахотных угодий на луговые не дает этого эффекта.
Итак, для соседствующих малых бассейнов притоков р. Заячьей наши результаты показывают снижение изменчивости гидрологических и гидрохимических характеристик по мере роста размера реки и распаханности бассейна. Проверим, реализуется ли эта закономерность по мере роста водосборной площади на примере бассейна самой р. Заячьей. Среднеквадратичное отклонение меженных модулей стока р. Заячья в д. Орюковская составляет 127 %, к Заячерецкому Погосту оно снижается до 64 %, а в самом нижнем створе (д. Ульяновская) составляет 45 %. Сравнение межгодовой и межсезонной изменчивости содержаний ионов в разных ее створах проведено посредством F-теста для дисперсий. Установлено, что от верхнего створа в д. Орюковская (площадь водосбора 52 км2, распаханность 0 %) к нижнему створу, расположенному на выходе из агроландшафта (д. Ульяновская, площадь водосбора 116 км2, распаханность 18 %), рост расходов (от 190 до 400 л/с в летнюю межень) и концентраций ионов сопровождается ростом изменчивости содержания сульфатов, хлоридов, минерального фосфора, но снижением изменчивости натрия (т. е. ионы натрия поступают в воды реки почти равномерно в течение года). При этом изменчивость содержания гидрокарбонатов, кальция, магния, калия не изменяется. В то же время в почти полностью залесенной верхней части бассейна (створ д. Орюковская) по сравнению со створом в средней части бассейна (д. Заячерецкий Погост, площадь водосбора 79 км2, распаханность 7 %) наблюдается более высокая изменчивость хлоридов, нитратов и натрия.
Обсуждение результатов
Изучение изменений гидрологического и гидрохимического режима под действием сельскохозяйственной деятельности требует прежде всего определения того, что считать фоновыми условиями. Наше исследование показало, что в естественных условиях в бассейнах с лесистостью более 50 % характерны невысокие концентрации гидрокарбонатов, магния, кальция, минерального фосфора, но повышенные концентрации органического фосфора по сравнению с распаханными бассейнами. При этом в условиях, близких к естественным, характерна повышенная межгодовая и сезонная изменчивость концентраций этих ионов, что связано с ярко выраженным чередованием периодов с преобладающей ролью снегового, дождевого или грунтового питания. Высокая изменчивость возникает в тех водотоках, в которых возможны периоды резких понижений концентраций при повышенном модуле стока, т. е. во время весеннего половодья и дождевых паводков.
В распаханных бассейнах происходит снижение изменчивости гидрохимических показателей, связанных с наличием в геологическом субстрате бассейнов осадочных карбонатных пород с повышенным содержанием магния. Характерной особенностью водотоков распаханных бассейнов становится сокращение или даже исчезновение периодов с низкими концентрациями. В периоды снеготаяния или летних паводков (как в 2017 г.) концентрации не падают, как это обычно происходит в фоновых условиях, а остаются высокими благодаря дополнительному источнику ионов — смыву почв, насыщенных основаниями, с распахиваемых крутых и покатых склонов долин.
Для некоторых ионов наблюдалась иная закономерность, выраженная в положительной корреляции между концентрациями и их изменчивостью. Повышенная изменчивость концентраций сульфатов, хлоридов, калия, натрия и, особенно, минерального растворимого фосфора характерна для водотоков с распаханными водосборами, в водах которых возможен эпизодический рост концентраций существенно выше фоновых значений за счет химического загрязнения с удобрениями, отходами жизнедеятельности животных и коммунальными стоками.
Таким образом, замещение зонального лесного растительного покрова сельскохозяйственными угодьями приводит к увеличению меженного модуля стока и к уменьшению его изменчивости. Межсезонная и межгодовая изменчивость концентраций ионов литогенного происхождения по мере сокращения зонального растительного покрова снижается, а ионов антропогенного происхождения — возрастает. Последнее обусловлено как залповыми выбросами загрязняющих веществ, так и неравномерностью внесения удобрений на поля в зависимости от года севооборота. Рост распаханности способствует формированию устойчиво высоких, в отличие от фона, концентраций ионов литогенного происхождения. Это свидетельствует об усилении выноса вещества поверхностным стоком в теплый период, что делает гидрохимические характеристики половодья сопоставимыми с зональными характеристиками меженных периодов. Отметим, что доля болотных вод в питании исследованных малых рек невелика (в отличие от р. Заячьей). Даже если лето влажное (как в 2014, 2017 гг.), дождевое питание не способствует разбавлению концентраций в распаханных бассейнах из-за сильного вовлечения карбонатного материала с полей в поверхностный сток. Хорошо известный в гидрологии факт роста поверхностного стока при обезлесении приобретает региональную особенность для ландшафтов с выходами на поверхность карбонатных пород: он сопровождается выравниванием внутригодового режима ряда гидрохимических характеристик. Исследование будет продолжаться в 2018—2019 гг. с наращиванием серии сезонных наблюдений.
Выводы
1. Сокращение лесных площадей и расширение пахотных и луговых угодий в густорасчлененном агроландшафте приводит к формированию ряда новых эмерджентных свойств геосистем речных бассейнов: переходу вод из кальциевой группы в магниевую, изменению амплитуд колебаний гидрохимических свойств и модуля стока. 2. Создание агроландшафтов в районе исследования приводит к увеличению меженного модуля стока и к уменьшению его изменчивости. 3. Лесной покров способствует сохранению естественных колебаний химического состава вод, обусловленных резкими различиями минерализации в многоводные и меженные периоды. При снижении лесистости ниже 30 % площади бассейна содержание литогенных ионов, определяющих общую минерализацию (гидрокарбонат, кальций, магний), в весеннее половодье и эпизодические летние и осенние паводки, несмотря на сильное разбавление, становится сопоставимым с высокими содержаниями, характерными для меженных периодов.
Дополнительная информация
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проекты 17-05-00447, 14-05-00170, 13-05-00821). Авторы выражают благодарность Е. А. Лысенко, К. А. Мерекаловой, А. Э. Малышевой, В. М. Матасову за участие в сборе полевых данных.
Об авторах
А. В. Хорошев
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Автор, ответственный за переписку.
Email: avkh1970@yandex.ru
Россия, Москва
А. Н. Лукьянова
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Email: lan22-66-88@mail.ru
Россия, Москва
А. Г. Косицкий
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Email: alexhydro@mail.ru
Россия, Москва
Д. И. Школьный
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Email: thabigd@gmail.com
Москва
Список литературы
- Авессаломова И. А., Савенко А. В., Хорошев А. В. Ландшафтно-геохимическая контрастность речных бассейнов как фактор формирования ионного стока // Вестн. МГУ. Сер. 5. География. 2013. № 4. С. 3-10.
- Алекин О. А. Основы гидрохимии. М.: Недра, 1970. 488 c.
- Алексеевский Н. И., Косицкий А. Г., Носань В. В., Христофоров А. В. Подобие рек и их систем // Водные ресурсы. 2013. № 6. С. 531-544.
- Виноградов Ю. Б., Виноградова Т. А. Современные проблемы гидрологии. М.: Академия, 2008. 320 с.
- Корытный Л. М. Геосистемно-гидрологический подход к природно-хозяйственному районированию // География и природные ресурсы. 1987. № 2. С. 152- 158.
- Методика измерений массовой концентрации катионов аммония, калия, натрия, лития, магния, стронция, бария и кальция в пробах питьевых, природных (в том числе минеральных) и сточных вод методом капиллярного электрофореза с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель». М.: Фед. служба по надзору в сфере природопользования, 2000. 36 с.
- Молчанов А. А. Оптимальная лесистость. М.: Наука, 1966. 220 с.
- Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоемов и перспективных для промысла районов Мирового океана. М.: Изд-во ВНИРО, 2003. 202 с.
- Федоров В. Н. Ландшафтная индикация формирования речного стока. Иркутск: Изд-во Института географии им. В. Б. Сочавы СО РАН, 2007. 175 с.
- Хорошев А. В. Ландшафтная структура бассейна р. Заячья (Важско-Северодвинское междуречье, Архангельская область). М., 2005. 158 с. Деп. ВИНИТИ 27.09.2005 № 1253-В2005. URL: https://istina.msu.ru/publications/book/7864329/ (дата обращения 10.06.2018).
- Хорошев А. В. Полимасштабная организация географического ландшафта. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2016. 416 с.
- Цыцарин Г. В., Шмидеберг Н. А. Гидрохимический практикум. Общие методы анализа и обработки основных гидрохимических данных. М.: Изд-во МГУ, 1973. 126 с.
- Шайдеггер А. Теоретическая геоморфология. М.: Прогресс, 1964. 452 с.
- Diebel M. W., Maxted J. T., Robertson D. M., Han S., Vander Zanden M. J. Landscape planning for agricultural nonpoint source pollution. Reduction III: assessing phosphorus and sediment reduction potential // Environmental Management. 2009. Vol. 43. P. 69-83.
- Baker M. E., Weller D. E., Jordan T. E. Improved methods for quantifying potential nutrient interception by riparian buffers // Landscape Ecology. 2006. Vol. 21. P. 1327-1345.
- Ryszkowski L. (Ed.). Landscape Ecology in Agroecosystems Management. CRC Press, Boca Raton, London, 2002. 366 p.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)