Введение. Большинство ландшафтных, геоботанических и почвенных работ по вулканическим районам касаются изучения катастрофических воздействий извержений вулканов на почвенно-растительный покров и последующих восстановительных смен лугово-лесообразовательного процесса, с формированием новой устойчивой биогеоценотической структуры [3, 5, 6, 11]. В геологической литературе рассматриваются вопросы тепловой разгрузки вулканов и влияния парогазовых струй на состояние поверхностных вод и приземной атмосферы вблизи действующих вулканов [9, 14], однако нам почти не известны работы по изучению воздействия геотермической энергии на температурный режим почвы и на структурно-функциональные характеристики растительного покрова вулканических ландшафтов. В настоящем сообщении впервые представлены количественные оценки влияния магматической энергии пассивно действующего вулкана на термический режим почвы и и лесообразовательные процессы в островодужном вулканическом ландшафте как представителе бореальной Северо-Западной Неопацифики. Анализ проведен на примере вулкана Менделеева (южная часть о-ва Кунашир Южно-Курильской островной дуги). Здесь на экспериментальном полигоне Менделеевского ландшафта в первой половине августа 1985 г. нами была проведена крупномасштабная ландшафтно-экологическая съемка (с 32 пробными площадями) по методике, изложенной в работе [10].
Объекты исследования. Вулкан Менделеева (абс. высота 890 м) входит в состав действующих одиночных вулканов и имеет наиболее типичное для Курильской островной дуги строение типа Сомма-Везувий [4, 7]. Вулкан состоит из двух разновозрастных сомм (кольцевых гребней с внешними склонами) и центрального конуса. Наиболее древним (дочетвертичным) вулканическим образованием является большая кальдера (обширная впадина на вершине вулкана) диаметром 6–7 км, с плащом первой соммы (рис. 1). Последняя опоясывает нижние части ЮЗ–З–СЗ склонов вулкана и частично охватывает предгорные равнины тихоокеанского сектора вулкана. В эпоху вернечетвертичного межстадиала (39–40 000 л.н.) на южном краю первой кальдеры возник новый конус. Образовалась вторая кальдера диаметром 3–3,5 км, а синхронная ей вторая сомма на Ю–ЮВ–В склонах вулкана (от вершин до отметок 150–200 м) перекрыла первую сомму. Здесь же в виде полукольцевого хребтика сохранился гребень второй кальдеры с вершиной г. Менделеева (наивысшая точка – 798 м). Северная половина второй соммы частично заполнила первую кальдеру, а положение второй кальдеры фиксируется четырьмя основными сольфатарами – фумарольными полями (см. рис. 1). Возраст купола – голоценовый, около 4200 лет [4]. Тепловизионная съемка, проведенная на северо-восточном фумарольном поле вулкана Менделеева, выявила наиболее прогретые участки, с температурой парогазовых выходов (фумарол) и термальных вод до 900, а поверхности озер около 350 [9].
Нами выделены четыре высотных микрояруса Менделеевского ландшафта: предгорно-равнинный (ниже 230–250 м), а также нижний (230–550 м), средний (500–720 м) и верхний (выше 670–720 м) низкогорные ярусы. Указанным микроярусам соответствуют четыре типа мезоместоположений: аккумулятивный (А), трансаккумулятивный (ТА), транзитный (Т) и трансэлювиальный (ТЭ).
По ботанико-географическому районированию [1] о–в Кунашир входит Южно-Курильско-Хоккайдский округ и в Южно-Курильский район, с господством темнохвойных и хвойно-широколиственных лесов, обогащенных южными восточноазиатскими элементами, с присутствием вечнозеленых субтропических и реликтовых видов. Вулкану Менделеева свойственно также весьма четкое и достаточно полное проявление высотно-зональной биоклиматической поясности, несмотря на его относительно небольшую высоту. Здесь сосредоточены весьма разнообразные группировки растительности [12]. Нами выделены шесть групп типов леса (в скобках даны условные обозначения и средневзвешенные нормы абсолютных высот): 1) смешанные темнохвойно-широколи-ственные леса ( – ХШ; 184 м); 2) темнохвойные (елово-пихтовые) леса ( – ТХв; 379 м); 3) буферные каменноберезово-еловые леса ( – КбЕ; 575 м); 4) каменноберезовое криволесье с кедровым стлаником ( – БКс; 685 м); 5) заросли кедрового стланика ( – Кс; 718 м); 6) буферные кедровостланиково-березово-еловые сообщества ( – КсБЕ; 575 м). Эти типы относятся к соответствующим флористическим фратриям: Маньчжурско-Охотской (МО), Охотской (Ох), Берингийско-Камчатской (БК), Берингийской (Бер) и Берингийско-Камчатско-Охотской (БКО).
Климатические условия лесообразования. Южнокурильские подтаежные ландшафты резко отличаются от своих материково-островных и континентальных аналогов (в Нижнем и Среднем Приамурье, в Северном и Среднем Сихотэ-Алине и на Сахалине) как гораздо меньшей теплообеспеченностью, так и особенно большим количеством осадков, что создает здесь исключительно высокие коэффициенты увлажнения (Кувл). Подтаежные леса южного Кунашира по сумме биологически активных температур ∑ t ≥ 10o = 1140–1610о находятся, согласно [2], в климаареалах северной темнохвойной тайги Евразии, т.е. должны располагаться у северной границы бореального пояса. На 1,5–2,5о ниже летняя температура в низкогорных неморальнотравяных пихто-ельниках Менделеевского ландшафта по сравнению с их среднегорными аналогами в Буреинском и Баджальском хребтах. Сумма температур (1000–1430о) так же отбрасывают менделеевские пихто-ельники в климаареалы северотаежных еловых лесов. Наконец, сообщества субальпийских кедровых стлаников в подгольцовом поясе вулкана по ∑ t ≥ 10o = 950–1070о сближаются с евразийской лесотундрой, однако находятся на более низком температурном уровне, нежели их высокогорные субальпийские аналоги в хр. Дусе-Алинь. Своими весьма высокими значениями Кувл = 3,5–5,0 о. Кунашир резко отличается не только от упомянутых окраинно-материковых регионов, но и от соседних островов – например, бореального Южного Сахалина и суббореального о. Хоккайдо (в Саппоро Кувл = 1,44). Близкий уровень атмосферного увлажнения имеют южные субтропические острова Японии (Кувл = 2,9–3,6).
Таким образом, атмосферные гидротермические условия бореальных лесов Менделеевского вулканического ландшафта не соответствует климатическим нормам, свойственным их окраинно-материковым формациям-аналогам. Эти типы лесных сообществ являются как бы климатически неоправданными, экстразональными, пришедшими из более южных природных зон с более высоким теплоэнергетическим уровнем и более низкими коэффициентами увлажнения.
Методы исследования. В целях выявления роли геотермического фактора в термическом режиме почв и лесообразующих процессах была рассчитана климатически обусловленная температура почвы по методике, изложенной в [10]. Затем проводилось сравнение реальных (измеренных) температур почвы с виртуальной (расчетной) температурой и находились значении температурных аномалий, обусловленных воздействием парогазовых геотерм на термическое поле почв. На основе пропорциональных соотношений реальных почвенных температур с реальными же температурами воздуха получены эквивалентные среднеавгустовские температуры воздуха. Последние отображают суммарное воздействие климатического и геотермического факторов в предположении, что геотермический фактор полностью заменен климатическим (табл. 1).
Картографирование температурных параметров почвы проведено Л.С. Шарой с помощью новых методов геоморфометрии [19]. Для расчета и построения карт температуры и температурных аномалий в почве (рис. 1) были
Таблица 1.
Средневзвешенные нормы температурных аномалий в почве для различных групп типов леса Менделеевского вулканического ландшафта и соответствующий этим аномалиям эквивалентные значения средней августовской температуры воздуха (экв tавг), а также ее прирост (∆ экв tавг)
*) Определялась по температурной поверхности Южно-Курильского экорегиона на
базе WorldClim, с использованием данных по 24 542 точкам. В алгоритме интерполя-
ции, где реализован программный пакет ANUSPLIN, по [18], учитывались широта, долгота и высота в качестве независимых переменных. Далее матрицы WorldClim преобразовывались в проекцию Гаусса-Крюгера (зона 25) с разрешением 600 м. использованы спутниковые данные НАСА о рельефе – матрицы высот разрешения 90 м, полученные в ходе выполнения международного проекта SRTM «США-Италия-Германия» (Shuttle Radar Topography Mission – проект радарной съемки рельефа спутником Шаттл). Изображение карты-матрицы формировалось в ГИС-программе по надлежащей легенде, с процедурами интерполяция и экстраполяция измеренных данных по матрицам факторов, для которых множественная регрессия выявила наиболее тесные статистические связи.
Результаты и их обсуждение. Реальные температуры почвы распределены
по территории Менделеевского ландшафта следующим образом. «Нормальный» (климатически обусловленный) тренд снижения температуры почвы с абс. высотой (например, доминант t30 = 15,5–16,8 →11,4–13,3o) прослеживается только в предгорьях и в нижнем ТА ярусе вулкана Менделеева (рис. 2). Переход к среднему Т ярусу низкогорья, уже в темнохвойнолесном поясе, знаменуется резким повышением температуры почвы на всех измеренных глубинах
Рис. 1. Карта распределения температурных аномалий в почве на глубинах 40 см по территории Менделеевского вулканического ландшафта. Составлена Л.С. Шарой.
(вплоть до 70 см). Почва здесь имеет такую же и даже более высокую темпера-
туру, чем это было в предгорных хвойно-широколиственных лесах (доминант t30 = 16,8–18,7o). Рост температуры начинается местами уже после отметки 320 м, а начиная с 500-метрового уровня он приобретает тотальный характер.
Ординация структур термических ниш почвы по солярной экспозиции на разных глубинах вскрыла картину распространения и интерференции в почвенной толще тепловых волн, идущих от двух альтернативных источников – солнечной радиации и парогазовых геотерм. Выявлены участки с подводящими каналами, откуда поступает геотермическое тепло, а также ареалы, где нет этого восходящего потока и проявляется только радиационно-термический режим почвы, тесно связанный с солярной экспозицией склона. На глубинах ≥70 см доминирующие значения температур смещены в геотермальное поле с высокой вероятностью – 65–75%. На глубине же 40 см оба тепловых потока (радиационный и геотермический) обнаруживают взаимное латеральное перекрытие, а выше 30 см геотермальный поток проявляется лишь спорадически.
Фумарольные поля служат объектами тепловой разгрузки парогазовой и магматической активности вулкана и связаны с продуктивными геотермальными резервуарами. По всему эллипсу разломов, охватывающему средний и верхний высотные ярусы, прослеживается наличие близко расположенных к днев-ной поверхности подводящих каналов магматических геотерм, которые и вызывают феноменальное явление на склонах вулкана – аномальное повышение
Рис. 3. Распределение температур в почве по абсолютной высоте, а также по фратриям и группам типов леса (информационные модели бинарной ординации).
Условные обозначения: 1 – экологический доминант; 2 – «размытая» часть экологической ниши; 3 – траектория, соединяющая экологические доминанты; 4 — пространство экологической ниши; 5 – анклав; 6 – высотный интервал дробления экологических доминантов; 7 – область спорадического распространения явления в пределах данных градаций фактора.
температуры коренных пород и почвы, а также поверхностных вод.
В целом вырисовывается инверсионное высотно-поясное распределение летней температуры почвы, с соответствующими ее значениями для флористических фратрий и групп типов леса (см. рис. 2 в и г). Снизу-вверх по высотным биоклиматическим поясам температуры почв в целом не понижаются, а наоборот, растут. Наиболее холодными являются почвы равнинно-предгорных хвойно-широколиственных лесов (t40 = 10,5–13,50), а наиболее теплыми (t40 = 16,0–18,00) – почвы горного пихто-елового пояса (нередко вплоть до его верхней границы с буферными КсБЕ сообществами). При этом охотоморский сектор Менделеевского ландшафта отличается от тихоокеанского гораздо более резко выраженным влиянием гидротерм на почвенную температуру в нижнем и среднем низкогорном ярусах вулканического массива (см. рис. 1). Разница в температурных аномалиях между этими секторами в нижнем и среднем ярусах низкогорья (начиная с высот 180–200 м) по их доминантам достигает 3,5–5,0о.
Энергия парогазовых геотермальных резервуаров оказывает существенное влияние на структурно-функциональное состояние бореальных лесов Менделеевского ландшафта. Под действием геотермальных потоков в почве повышается флористическое разнообразие древостоя и увеличивается продолжительности жизни каждой возрастной генерации основных лесообразующих пород, что ведет к росту полноты леса (рис. 3 а). Максимальные структурные изменения претерпели высоко производительные нижнеярусные пихто-ельники и предгорные хвойно-широколиственные леса, где геотермы оказывают наибольшее воздействие на температуры почвы. Анализ геоботанических материалов по Южным Курилам и в частности по вулкану Менделеева подтверждают наши выводы. Характерны крупноствольный древостой и парковый облик этих лесов, «… находящихся далеко не в крайних условиях произрастания темнохвойных пород» [12, с. 67]. При этом «признаки угнетения широколиственных пород на верхней границе их расселения отсутствуют» [16, , с. 216]. Подчеркивается также насыщенность этих лесных сообществ теплолюбивыми видами (диморфант, тис остроконечный, клены, гортензия черешчатая, актинидия коломикта, сумах восточный, остролисты, скиммия и др.). Общий сдвиг бореальных лесов предгорий и нижнего яруса вулкана в сторону лесов суббореальных подтверждается снижением аллометрического коэффициента (рис. 3 г) – отношения ло-
Рис. 3. Корреляционные связи различных параметров автотрофного биогенеза и биологического круговорота с температурными аномалиями в почве на глубине 30 см (∆t30). Уравнения линейной регрессии: Y = a + b∙X. R – коэффициент корреляции.
гарифма продуктивности к логарифму биомассы. Индикационная роль этого параметра на топологическом уровне экосистем рассмотрена в работе [10].
По-видимому, именно геотермический фактор способствовал в Северо-Западной Пацифике «сборности флоры», по терминологии [15], – объединению генетически и экологически разнородных элементов в смешанные (буферные) сообщества, с последующим адаптивным преобразованием экологических ниш этих элементов. Данный маятниковый процесс, проявлявшийся наиболее активно в теплые климатические эпохи, можно рассматривать как ускоренную эволюцию начальных (голоценовых) островных экосистем, о чем упоминается в работе [16]. Ведущим фактором ускорения этой эволюции, по нашему мнению, могла оказаться глубинная магматическая энергия действующих вулканов.
Функциональные параметры лесных сообществ испытывают, наоборот, негативное влияние парогазовых геотерм (рис. 3 б). Для горных темнохвойных лесов градиент общей надземной продуктивности ∆РСоб = –1,47–2,00 т/га ∙год на 10 роста t20 почвы, а в нижнем ТА ярусе он составляет –1,33 т/га ∙год.. Происходит насыщение почвы и грунтовых вод парами и газами азотно-углекислого и углекисло-азотного состава, а также сероводородом и сернистым газом [14]. Эти изменения оказывают угнетающее воздействие на водное и минеральное питание растений [8], что может служить одним из факторов снижения продуктивности лесов вулканических ландшафтов.
Детритная ветвь биологического круговорота так же испытывает определенное геотермическое воздействие. Происходит трехкратное увеличение суммарной мертвой фитомассы – дебриса и лесной подстилки (рис.3 д). Очевидно, процессы минерализации не справляются с количеством ежегодно поступающего опада (+ отпада). Соответственно растет известный (см. [10]) подстилочно-опадный индекс (см. рис. 3 е). Таким образом, парогазовые геотермы не ускоряют, а наоборот, замедляют малый биологический круговорот, и состояние бореального лесного сообщества как детритной экосистемы [13] упрочняется.
Положительное компенсирующее влияние термоэдафотопов, находящихся под достаточно мощным воздействием магматических гидротерм, может служить одной из причин устойчивого существования и развития «климатически неоправданных» лесных сообществ молодых вулканических ландшафтов. Проведенные расчеты виртуальной температуры почвы на глубинах 30, 40, 50 и 70 см, а затем эквивалентной среднеавгустовской температуры воздуха (см. выше) выявили достаточно высокую меру воздействия парогазовых геотерм на теплоэнергетический уровень Менделеевского ландшафта. Эта мера достигает максимума (4.6–4.8о, прирост с 14,3–14,90 до 19,0–19,70) в поясе горных темнохвойных лесов и в полосе их перехода в каменноберезовое криволесье, где проявляется наибольшая активность геотерм. У подножий вулкана и на предгорных равнинах, где влияние геотерм ослаблено, эквивалентные температуры понижены, хотя прибавка температур остается более 3о.
Заключение. Таким образом, лесные сообщества Менделеевского вулканического ландшафта сформировались и функционируют в таких же теплоэнергетических условиях, как и их окраинно-материковые аналоги. Получая дополнительное тепло от геотерм, они достигают своей зональной и высотно-поясной гидротермической нормы. Действующий вулкан восполняет им недостаток климатического ресурса, обеспечивает устойчивое функционирование и структурное оформление этих «климатически неоправданных» островных экосистем, с обогащением их суббореальными видами и субтропическими реликтами.
Вулканические островодужные ландшафты Неопацифики, находящиеся в сфере воздействия подземных парогазовых геотерм и сольфатар, становятся своего рода колыбелью формирования буферных лесных образований (на Южно-Курильских островах – маньчжурско-охотских и охотско-камчатско-берингийских). Последние получают дальнейшее развитие и более сложную пространственную дифференциацию при переходе территории от островного состояния в состояние окраинно-материковое. Этот этап геологической истории Тихоокеанского мегаэкотона Северной Евразии рассмотрен нами на примере Нижнего Приамурья (см. [17]). Именно в островных вулканических ландшафтах зарождаются максимально возможные при данных климатических условиях спектры флористических и фитоценологических структур, свойственные зоне перехода от континента к океану.
Список литературы
- Атлас Курильских островов / Гл. ред. Н.Н. Комедчиков. Москва–Владивосток: Изд. продюс. центр «Дизайн. Информация. Картография», 2009.
- Базилевич Н.И., Гребенщиков О.С., Тишков А.А. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. М.: Наука, 1986. – 297 с.
- Вяткина М.П., Гимельбрат Д.Е., Головнева Л.Б., и др. Растительный покров вулканических плато Центральной Камчатки (Ключевская группа вулканов). М.: КМК, 2014. – 461 с.
- Горшков Г.С. Вулканизм Курильской островной дуги. М.: Наука, 1967. 288 с.
- Гришин С.Ю. Крупнейшие извержения ХХ века на Камчатке и Курильских островах и их влияние на растительность // Изв. РГО. – 2003. Т. 135. Вып. 3. – С. 19–28.
- Жучкова В.К., Зонов Ю.Б., Горяченков В.А. Методические приемы ландшафтных ис-следований вулканических районов Камчатки // Ландшафтный сборник. М.: Изд-во МГУ, 1973. – С. 117–137.
- Злобин Т.К., Абдурахманов Л.И., Злобина Л.М. Глубинные сейсмические исследова- ния вулкана Менделеева на Южных Курилах // Тихоокеан. геология. 1997. Т. 16. №– С. 79–87.
- Кабата-Пендиус А., Пендиус Х. Микроэлементы в почвах и растениях. Пер. с англ. М.: Мир, 1989. – 439 с.
- Козлов Д.Н., Жариков Р.В. Тепловизионная съемка активных вулканов Курильских островов в 2009–2011 гг. // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2012. № 1. Вып.
- – С. 1–7.
- Коломыц Э.Г. Локальные механизмы глобальных изменений природных экосистем. М.: Наука, 2008. – 427 с.
- Манько Ю.И. Влияние современного вулканизма на растительность Камчатки и Курильских островов // Камаровские чтения. Вып. XXII. 1974. – С. 5–31.
- Манько Ю.И., Розенберг В.А. Высотная поясность растительности на вулкане Менделеева // Биол. ресурсы о-ва Сахалин и Курильских островов. Владивосток: Биологопочв. ин-т ДВНЦ АН СССР, 1970. – С. 65–71.
- Одум Ю. Основы экологии. Пер. с англ. – М.: Мир, 1975. – 740 с.
- Сугробов В.М., Яновский Ф.А. Геотермическое поле Камчатки, вынос тепла вулканами и гидротермами // Действующие вулканы Камчатки. Т.1. М.: Наука, 1991. – С. 58–66.
- Урусов В.М., Лурье Л.С. О высотных поясах растительности и формационных реликтах в Приморье в связи с изменением климата // Бот. журнал. 1980. Т. 65. № 2. – С. 185–197.
- Урусов В.М., Чипизубова, М.Н. Общие закономерности географического распределения формаций и типов растительности. Генезис растительности // Геосистемы Дальнего Востока России на рубеже XX–XXI веков. Том I. Природные геосистемы и их компоненты. Владивосток: Дальнаука, 2008. – С. 203–220.
- Эрланд Коломыц. Тихоокеанский мегаэкотон Северной Евразии. Часть I. Эволюционная экология бореальных лесов. – North Carolina, USA: Lulu Press. Inc., 2015. – 246 с.
- Hutchinson M.F. Anusplin. Version 4.3 // Centre for Resource and Environmental Studies. Canberra, Australia: The Australian National University, 2004.
- Shary P.A., Sharaya L.S., Mitusov A.V. Fundamental quantitative methods of land surface analysis // Geoderma. 2002. Vol. 107. № 1–2. – P. 1–32.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 14-05-00032-а[schema type=»book» name=»ГЕОТЕРМЫ И ЛЕСООБРАЗОВАНИЕ В ОСТРОВНОМ ВУЛКАНИЧЕСКОМ ЛАНДШАФТЕ» description=» Магматические геотермы в районе действующего вулкана Менделеева (о. Кунашир, Южно-Курильская гряда) способствовали трансгрессии в данный бореальнолесной экорегион более южных видов и целых сообществ. Сформировались «климатически неоправданные», но достаточно устойчивые суббореальные лесные экосистемы, а также зачатки буферных лесных сообществ. Под действием геотермической энергии произошла перестройка лесного покрова в направлении роста его флоро- и фитоценотического разнообразия в ущерб скорости создания биомассы. Именно в островных вулканических ландшафтах зарождаются максимально возможные при данных климатических условиях спектры флористических и фитоценологических структур, свойственные зоне перехода от континента к океану.» author=»Коломыц Эрланд Георгиевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)» ebook=»yes» ]