Особенности и функции болотных комплексов

1.2.1. Водоочистительная функция болот.

Болота играют большую роль во влагообороте территории Верхневолжья. Занимая почти 10% площади водосборов, болота участвуют в формировании водного режима рек, влияют на величину стока. Верховые болота преобразуют атмосферные осадки, низинные – также грунтовые и поверхностно-сточные воды, в речной сток. При этом торфяные болота, по определению А.М. Глазовской (1988), являются сложными комплексными геохимическими барьерами. Верховые болота, находящиеся в элювиальных условиях представляют собой кислые глеевые и сорбционные барьеры для многих микроэлементов, аккумулируют преимущественно аэрополлютанты. Низинные болота, являющиеся геохимически подчиненными супераквальными ландшафтами, питаемыми делювиальными и грунтовыми водами, и представляют собой глеевые, глеевые карбонатные, кислородные, сорбционные барьеры и накапливают минеральные вещества как выпадающие из атмосферы, так и приносимые с поверхностными и грунтовыми водами. Переходные и низинные торфяники, кроме того, являются еще и механическими барьерами для веществ, приносимых в суспензиях поверхностными водами. Наличие геохимических барьеров способствует очищению вод, вытекающих из болота.

Болота хорошо удерживают и аккумулируют воду в торфяной залежи, способны накопить большие ее запасы. Многочисленными исследованиями установлено, что содержание влаги в естественной торфяной залежи ниже уровня грунтовых вод, т.е. при почти полном заполнении всех пустот водой колеблется от 91 до 98% (по объему). Твердым веществом занято не более 10% объема. Болота Тверской области имеют объем залежи около 11 млрд. м3 и содержат около 10 км3 воды. Это больше воды, чем сосредоточено во всех озерах области (4,3 км3) и больше, чем годовой сток Волги ниже Твери (9 км3). Удерживая воду, болота препятствуют развитию эрозионных процессов, уменьшают вынос с суши в океан минеральных веществ.

1.2.2. Болота как накопители загрязняющих веществ

В Тверской области есть природные объекты, записывающие информацию об изменении чистоты атмосферы во времени - как в прошлом, когда загрязнения, связанные с деятельностью человека, отсутствовали, так и в историческое время. Это верховые болота. Они образуются на водоразделах и питаются только атмосферными осадками. Напочвенный покров мхов в водораздельных ельниках-зеленомошниках удерживает очень много атмосферной влаги. Сфагновые мхи, например, способны удерживать количество воды, в 36 раз больше своей биомассы. Связанное с этим переувлажнение почв препятствует проникновению в них атмосферного воздуха и создает тем самым анаэробную среду. Это, в свою очередь, затрудняет существование аэробных микроорганизмов. Кроме того, продукты жизнедеятельности мхов являются очень кислыми, что также неблагоприятно для микроорганизмов. Поэтому мох верховых болот становится практически стерильным, что, кстати, позволяло в годы Великой Отечественной войны при отсутствии медикаментов использовать сфагновый мох для стерилизации ран.

Отмирающий опад мхов и других болотных растений слабо разлагается и накапливается в полуразложенном состоянии. Новые порции опада перекрывают предыдущие. Так формируется толща торфа. Скорость накопления торфа на верховых болотах Тверской области - около 1 мм/год. Новые поколения растений поселяются на более молодых слоях торфа, отрываются от грунтового минерального питания и вынуждены питаться только за счет атмосферных осадков.

Недостаток минеральных веществ в жидких атмосферных осадках компенсируется атмосферной пылью, которая растворяется в кислых выделениях мхов. Важно также, что мхи как очень древние растения имеют безбарьерный тип поглощения элементов, то есть обладают низкой избирательной способностью при поглощении химических элементов из окружающей среды. Поэтому мхи поглощают то, что выпадает на верховые болота из атмосферы, а то, что не успевает поглотиться растениями, попадает в нижний слой торфа и прочно закрепляется в нем. Это происходит за счет исключительно большой сорбционной способности торфа. Его удельная поверхность достигает 200 м.кв./кг. Кроме того, над болотами воздух круглый год несколько холоднее, чем над окружающими их лесными массивами.

Торф в Тверском регионе накапливался практически непрерывно последние 10 тыс. лет со времени окончания последней ледниковой эпохи. Важно также то, что торф - прекрасный материал для определения возраста его слоев палеоботаническим и радиоуглеродным методами.

Все отмеченное выше позволяет использовать торф верховых болот в геохимическом мониторинге атмосферы.

Изучение многих колонок торфа из разных районов, показало, что минимальное содержание зольных элементов, в том числе свинца, меди, цинка и др. - в слоях торфа глубже 1,5 м от поверхности. Эти слои образовались более 1,5 тыс. лет назад. Низкие концентрации минеральных веществ практически одинаковые для одних и тех же элементов в разных районах, позволяют считать это отражением общего низкого уровня загрязнения атмосферы того времени, отвечающего природному геохимическому фону. Расчета показывают, что скорость поступления свинца на болота из атмосферы составляла всего 0,01-0,5 мг/м.кв., тогда как в настоящее время она составляет 10-40 мг/м. кв. в год.

В слоях торфа, образовавшихся в последние 1,5 тыс. лет, во всех разрезах торфа лесной зоны Русской равнины отмечается сначала медленный, а в молодых слоях - более интенсивный рост содержания зольных элементов. Поскольку водный режим изученных болот в это время не менялся, можно считать, что эта особенность связана с ростом запыленности атмосферы. При подсечно-огневой системе земледелия атмосфера загрязнялась золой растительности и почвенной пылью. Содержание последней возрастало с расширением площади пашни. Последующее развитие горнорудной промышленности, выплавка и обработка металлов еще больше усиливали поступление техногенных веществ в атмосферу в XIX веке, когда каменный уголь в большом количестве стал сжигаться в печах заводов в топках транспортных средств. В золе каменного угля особенно высока концентрация многих металлов.

Общая интенсификация техногенных процессов в XX веке, особенно во второй его половине, вызвала небывалые ранее масштабы загрязнения атмосферы. Вся эта история загрязнения атмосферы и была записана в соответствующих по возрасту слоях торфа верховых болот. Например, концентрация свинца в верхних горизонтах торфа по сравнению с природным фоном, зафиксированным в более глубоких его слоях, возросла в 20-30 раз. В удаленных от источников техногенного загрязнения торфяниках Нижней Печеры концентрация возросла только в полтора раза, а в торфяниках Нижнего Енисея она вообще не обнаружена. Примечательно, что рост загрязнения обнаружен в болотах так называемых «фоновых» территорий, удаленных от современных источников техногенного загрязнения на десятки километров.

Полученные материалы показывают, что верховые болота - перспективные объекты геохимического мониторинга для оценки прошлого природного геохимического фонда атмосферы и степени изменения его под влиянием техногенной деятельности человека.

Как показали исследования, распределение концентрации кадмия по толщине верховых торфяников отличается от отмеченного выше распределения свинца, меди, цинка и ряда других элементов. Судя по материалам абсолютного возраста по радиоуглероду, высокие концентрации кадмия, кроме поверхностного слоя, отражающего последние десятилетия истории, приходятся также на 1,5, 3,0, 4,7, 6,2 тыс. лет назад и не сопровождаются параллельным увеличением концентрации свинца и других зольных элементов. Поэтому колебания концентрации кадмия нельзя связать с изменением интенсивности выпадения на болота почвенной или вулканической пыли. Из природных источников питания верховых болот только вещество метеоритов имеет концентрацию кадмия, на целый порядок превышающую в земном веществе. Поэтому периодические увеличения концентрации кадмия в отдельных слоях торфа по сравнению с природным геохимическим фоном можно связать только с интенсификацией выпадения с периодичностью примерно 1,5 тыс. лет космической пыли. Интенсивность этого выпадения менялась от 0,01-0,25 до 1-1,2 мг/м.кв. в год.

Таким образом, верховые болота могут быть использованы и для изучения истории поступления на Землю космического вещества, причем с большим успехом, чем глубоководные осадки океанов лед Антарктиды.

Основной торфообразователь - сфагновый мох, так же как и торф, отличается исключительно высокой сорбционной способностью к металлам.

1.2.3. Болотные ландшафты как аккумуляторы углерода

Болотные ландшафты являются одними из основных аккумуляторов углерода на Земле. По данным С.Э.Вомперского, интенсивность депонирования углерода для России и бывшего СССР составляет 22,4 – 31 г/м²год. При площади болот Тверской области 799 тыс га. депонирование углерода составляет примерно 179 тыс. т в год. Накопление торфа, связанное с неполным разложением органического вещества, способствует также сохранению свободного кислорода, который мог быть израсходован микроорганизмами на биохимическое окисление. Депонирование углерода и сохранение кислорода являются важными глобальными функциями болот.

1.2.4. Биологический потенциал болот

Болота очень давно и интенсивно используются в народном хозяйстве. Человек использует природные ландшафты в своих целях, что естественно приводит к крупным сдвигам в болотных комплексах. Помимо полного уничтожения или преобразования, болота могут претерпевать изменения и без прямого влияния человека, если они расположены неподалеку от промышленных предприятий, городов, дорог, агроферм. Даже в заповедных местах болота испытывают косвенное влияние деятельности человека. Это влияние многосторонне:

1. Мелиоративные мероприятия при торфодобыче, сельскохозяйственном использовании вносят коренные изменения в экосистему болот. В результате чего, полностью прекращается процесс торфонакопления, нарушается установившийся гидрохимический баланс и формируется новый химический режим вод. Изменяется водный баланс рек.

2. Большое влияние на болота оказывают лесные пожары, если они повторяются через 20-30 лет, то возобновление древесного яруса и флористический состав болот становиться более скудным.

3. Болота подвергаются вытаптыванию, это связано с посещением болот человеком, с целью сбора ягод и грибов.

Болота давно используют для сельскохозяйственных нужд. Для этих целей чаще всего используется: травяные евтрофные, травяно-моховые мезотрофные болота; на них создаются поля для кормовых культур и многолетних трав.

Широкое применение в сельском хозяйстве находит торф: из него готовят органические удобрения, торфяные горшочки под рассаду, субстратные торфоблоки, подстилку для скота, торфодерновые ковры, субстрат для газонов и т. д. Малоразложившийся торф применяется как изоляционный материал, можно получать грубую бумагу, картон. Торф используется и как топливо. В результате прогресса химической промышленности из торфа стало возможно получать различные органикопроизводные продукты, например:

- воск, техническое значение которого растет из года в год

- полукокс для технологического топлива при агломерации железных руд в черной металлургии

- отощающие присадки к угольным плитам и топливные составляющие при изготовлении радиотопливных гранул в черной металлургии

- гидролизное сырье

- углеродные абсорбенты для разделения газов

- углеродные волокна

- активные угли и сорбенты

- кормовые дрожжи

- биологически активные вещества, применяющиеся в медицине

- торфощелочные реагенты, применяемые для проведения буровых работ

- комплексные торфогуминовые гранулированные удобрения

- наполнители пластмасс

Сферы применения торфа все больше расширяется. Особенно высокоэффективна комплексная переработка торфа. По сравнению с энергетическим использованием она дает в 15-20 раз больше прибыли.

Видовой состав болотных биоценозов.

В настоящее время характеризуется лишь в соотношении некоторых наиболее изученных групп и состоит из четырех царств органической природы:

1. Прокариоты

2. Грибы

3. Растения

4.Животные

Происхождение болотной природы:

а) горное

б) водно-болотное

в) арктическое

г) таежное и др.

I. Виды, ведущие начало от теплолюбивых растений:

1) Теплолюбивые гидротрофные виды, частично относящиеся к

тропическим родам

2) Виды арктотретичных лесных болот

3) Виды пойменных лесов

4) Виды гидрофильных олиготрофных лесов умеренно-теплых

областей

5) Виды, сходные с предыдущими по сформировавшимся вне

лесов, на песках и скалах

6) Олиготрофные виды, сформировавшиеся в болотных моховых ценозах

II. Виды, сформировавшиеся в горах:

7) Олиготрофные и евтрофные гидрофильные виды

8) Гидрофильные травы и кустарники

Флористический состав:

1. Сосудистые растения

(приблизительно 150 видов)

а) деревья (сосна, ель)

б) кустарники

в) многолетние злаки и осоковые

г) многолетние травы

д) однолетние травы

2. мхи (приблизительно 80 видов)

а) печеночные мхи

б) листостебельные мхи

Флоры болот разнообразны не только благодаря многообразию различающихся по происхождению видов, но и из-за широкой амплитуды экологических условий болот.

Большинство видов болотных растений относятся к раннецветущим, это преимущественно многолетние травы - доминанты растительного покрова топяных местообитаний. Они начинают расти после спада талых вод. К весенне-цветущим растениям относятся в основном болотные кустарнички, занимающие более сухие местообитания и закладывающие цветные почки еще с осени предыдущего года, что обуславливает их более раннее цветение.

Из-за трудоемкости зоологических работ и отсутствия важных для хозяйства видов, фауны болот изучены слабо. Представители макрофауны, особенно крупные млекопитающие и птицы связаны с обширными экосистемами и с ландшафтными подразделениями, куда входят как болота, так и окружающие их урочища - лесные и водные, природные и измененные деятельностью человека.

1. Млекопитающие.

Вообще нет видов, которые используют в качестве постоянных стадий безлесые болота. Лесные болота зачастую являются биотопами для зайцев, лосей, медведей, волков, кабанов.

На берегах болотных озер и рек можно повстречать кутору, бобра, водяную крысу, ондатру, енотовидную собаку.

2. Птицы.

Многие группы, даже целые роды предпочитают болотные биотопы, включая болотные озера, реки, топи. Из птиц тундровой и лесной зон - поганки (особенно серощечные), цапли, выпь, черный аист, лебеди, гуси, утки, тетеревиные, журавли, лысуха, камышница, пастушок, коростель, погоныш, ржанки, чибис, улиты, плавунчики, турухан, бекасы, веретенники, кроншнепы, чайки и др.

Из хищных птиц - луни, соколы (особенно сапсан), подорлики. Из певчих птиц - с тростниковым зарослями болот связаны камышовая овсянка, камышовки и сверчки, с кустарниковыми зарослями - славки, жуланы, варакумы, дрозд - белобровик, луговой генот, с открытыми болотами - только коньки, полевой жаворонок и желтая трясогузка. Облесенные и лесные болота имеют в своем составе много лесных птиц: только на этих болотах можно встретить дуплогнездников, гнездящихся на кронах крупных деревьев, хищных и врановых птиц и др. Особенно следует отметить, что изолированные “островки” минеральной почвы среди болот, часто покрытые нетронутым сплошной рубкой лесом, являются последним убежищем для гнездовий таких редких в Европе птиц, как скопа, беркут, орлан белохвост.

3. Земноводные.

Для болотных водоемов характерны лягушки водяные, травяные, полевые.

4. Пресмыкающиеся.

На низинных болотах обычен уж, на верховых (особенно в осушенных и облесных) - гадюка и ящерицы живородящие.

5. Рыбы.

Либо отсутствуют, либо представлены карасем, очень редко другими.

6. Почвенно-беспозвоночные.

Виды беспозвоночных, населяющих болотные почвы, отличаются широкой экологической амплитудой и среди них мало специализированных к болотным условиям форм. Преобладают первичные разлагатели - панцирные клещи и коллеболы. Число олигохет, личинок двухкрылых и диплопод сравнительно не велико.

На начальных стадиях заболачивания в почвенном коллективе животных участвуют, как пресноводные (хиропомиды, типумиды, люмбрикулиды), так и почвенные беспозвоночные (личинки других групп двукрылых и олигохет).

На переходных болотах общее количество олигохет уменьшается, больше становится личинок двукрылых и мелких членистоногих, особенно панцирных клещей (орибатид).

На верховой (олиготрофной) стадии преобладают немногочисленные виды, мирящиеся с высокой кислотностью почв, плохой аэрацией и бедностью зольными элементами: общая численность и биомассы беспозвоночных снижаются. Здесь господствуют по числу особей орибатиды и коллемболы; личинок двукрылых и нематод сравнительно мало; среди мезофауны преобладают личинки щелкунов и мух-тахинид.