3.2. Строение деятельного слоя

Деятельным слоем торфяной залежи называется ее поверхностный горизонт, в котором наиболее активно протекают процессы влаго- и теп­лообмена болот с окружающей средой и в первую очередь с атмосферой [171]. Теоретическое и экспериментальное обоснование разделения тор­фяной залежи на два генетически разнородных горизонта — деятельный и инертный — было сделано впервые в работах К. Е. Иванова [81] и В. Д. Лопатина [124]. Позднее это разделение было уточнено в работах [36,83,171,175].

В деятельном слое торфяной залежи происходит впитывание атмос­ферных осадков и конденсация водяного пара из атмосферы, наиболее интенсивное фильтрационное стекание воды вдоль склона болотного массива, подток воды к испаряющей поверхности и поглощение ее кор­невыми системами растений. Вследствие взаимодействия этих процессов в деятельном слое постоянно изменяются влажность, аэрация и глубина уровня болотных вод.

63

В этом же слое наблюдаются наибольшие суточные и сезонные коле­бания температуры торфяной залежи и происходят фазовые превращения воды и связанные с этим изменения состояния торфяной залежи: ее за­мерзание и оттаивание.

Рассматриваемый слой является активным и в смысле торфообразо- вания: в нем происходит отмирание массы живого органического веще­ства и наиболее активно протекают аэробные биохимические процессы разложения.

Деятельный слой сверху ограничен поверхностью растительного ков­ра болота, характеризующегося обычно неровным микрорельефом По-

Рис. 3.14. Схематический разрез деятельного слоя

торфяной залежи СПБ — условная поверхность на высоте средних отметок микрорельефа, принимаемая за верхнюю границу дея­тельного слоя; Л_к — го­ризонт развития микро­рельефа; Го—мощность де­ятельного слоя.

этому за его верхнюю границу целесообразно принять условную поверх­ность, проходящую на высоте средних отметок выпуклых и вогнутых форм микрорельефа ². За нижнюю границу деятельного слоя принимают поверхность, параллельную верхней границе и совпадающую с поверхно­стью средних минимальных уровней болотных вод в данном микроланд­шафте [83] (рис. 3.14).

Высокая активность деятельного слоя по влагообмену и зависимость интенсивности гидрологических процессов от глубины залегания уровня болотных вод обусловлены наличием особой структуры его органического скелета и резким изменением ее по глубине. По описаниям структуры разрезов мерзлых монолитов, отобранных из торфяной залежи верховых болот [82, 83], самый верхний слой от поверхности головок мха до глуби­ны 3—8 см состоит из вертикально расположенных стеблей мха, кустар­ничков и трав. Поры между стеблями этих растений имеют хорошо вы­раженную вертикальную ориентировку; размеры их зависят от густоты растительного покрова. Под слоем живого мохового покрова залегает слой, в котором отмершие стебли мха находятся в стадии перехода в го­ризонтальное положение. Вследствие изменения способа укладки мохо­вой очес отличается большим разнообразием размеров пор: от крупных пор и полостей между стеблями до очень мелких пор-углов, образуемых чешуйчатыми листьями на стеблях и ветках сфагновых мхов. Толщина этого слоя в разных микроландшафтах различна, чаще от 5 до 20 см, под западинами она, как правило, меньше, чем под кочками. Ниже слой мохового очеса имеет горизонтальную ориентировку частиц и более плот­ную их упаковку. Поры становятся более однородными по размерам.

¹ При наличии мохового покрова за поверхность болота на данном участке при­нимается поверхность головок мха, при отстуствии мха — поверхность дернины на уровне узлов кущения травянистых растений, а при отсутствии растительности вооб­ще — поверхность торфа [136].

² Для повышения точности взаимной увязки данных уровенных наблюдений и ха­рактеристик водно-физических свойств торфяной залежи, поскольку они приводятся к верхней границе деятельного слоя, но определяются обычно в различных пунктах микроландшафта.

64

На болотах с травяным растительным покровом слой с не сложившей­ся еще структурой тоньше, чем на моховых болотах, и состоит в основ­ном из обломков стеблей и корневых систем отмерших и живых растений. Поэтому деятельный слой залежи травяных болот имеет резкие измене­ния размеров пор только в тонком поверхностном слое толщиной 3— 10 см. Ниже пористая структура торфа изменяется мало.

Форма и строение частиц органического скелета в моховом очесе и торфе низкой степени разложения обусловлены морфологическими осо­бенностями растений-торфообразователей. На верховых болотах основ­ными торфообразователями являются различные виды сфагновых мхов. Их листья в виде выпуклых чешуек покрывают ветви и стебли растения, образуя таким образом частицы сложного строения с большой поверхно­стью и внутренними порами. Травянистые же растения и кустарнички образуют частицы менее сложного строения.

Размеры частиц зависят от вида растений и мало варьируют у раз­ных индивидуумов одного и того же вида растений. Поэтому размеры внешних пор в моховом очесе и слаборазложившемся торфе зависят глав­ным образом от плотности укладки частиц в объеме торфяной залежи.

Изменение способа укладки и уплотнение частиц растительных остат­ков в торфогенном слое приводят к интенсивному росту объемного веса абсолютно сухого вещества с глубиной. По экспериментальным данным, полученным на верховых болотах, расположенных в бассейне р. Конды и в междуречье Ваха и Ватинского Егана, естественное уплотнение мо­хового очеса в торфогенном слое составило в разных микроландшафтах 300 — 480% по отношению к объемному весу сухого вещества в живом моховом покрове, что соответствует уплотнению растительного вещества в среднем на 2,5% на каждый сантиметр глубины.

Экспериментальное определение аналогичной характеристики на ни­зинных болотах Западной Сибири показало, что объемный вес сухого вещества торфяной залежи гипново-осоковых, осоково-тростниковых или вейниково-осоково-тростниковых болот увеличивается в среднем на 0,2— 0,3% на каждый сантиметр глубины. При этом заметное уплотнение за­лежи наблюдается до глубины 40—50 см от поверхности болота.

Помимо механического уплотнения, на структуру материала в тор­фогенном слое залежи оказывают влияние биохимические процессы раз­ложения растительных остатков. В результате разложения появляются новые органические вещества, главным образом гуминовые кислоты и гуматы. В торфе они образуют сложные коллоидные комплексы, хими­ческий состав которых может определять фазовое состояние высокоди­сперсной фракции и его гидрофильность.

В торфогенном слое верховых болот гуминовые вещества находятся в молекулярно-дисперсном и коллоидно-дисперсном состояниях и поэто_: му легко вымываются атмосферными осадками в подстилающие слои залежи и частично выносятся за пределы болотного массива [37, 166}! Поэтому пористая структура деятельного слоя на верховых болотах формируется в основном за счет грубодисперсной фракции неразложив; шихся остатков сфагновых мхов и других растений.

На низинных же болотах, благодаря более высокой минерализаций болотных вод, высокодисперсная фракция торфа состоит преимущест­венно из гуматов (органо-минеральных соединений гуминовой кислоты с двух- и трехвалентными металлами) в виде коагуляционных структур й агрегатов, заполняющих промежутки между остатками неразложивших-

3 Зак. 3185

ся растений и, таким образом, участвует в формировании пористой струк­туры деятельного слоя торфяной залежи.

Изменчивость структуры материала в деятельном слое моховых бо­лот имеет место не только в вертикальном (по глубине), но и в горизон­тальном (в плане) направлениях. Изменчивость структуры мохового очеса в плане связана с изменением по площади микроландшафта видо­вого состава растительных сообществ. По данным полевых исследова­ний [35, 36], различные виды сфагновых мхов, а также многие другие бо­лотные растения могут нормально развиваться только при определенном диапазоне глубин уровня болотных вод, т. е. при конкретных, ограничен­ных узкими пределами условиях увлажнения и аэрации поверхностного слоя торфяной залежи. Поэтому состав растительных сообществ на раз­ных по высоте элементах микрорельефа существенно изменяется, обу­словливая тем самым существующее изменение на различных микро­участках деятельного слоя структуры мохового очеса: размеров, строения и плотности сложения образующих его частиц. Общие сведения о строе­нии деятельного слоя залежи, рассмотренные выше, относятся как к ев­ропейским, так и к сибирским болотам.

Данных о строении деятельного слоя торфяных залежей Западной Сибири очень мало [33, 52, 53, 67]. Сведения о характере микрорельефа на поверхности этих болот, толщине и строении поверхностного слоя торфяной залежи имеются лишь по болотным массивам, на которых ве­дутся стационарные и экспедиционные наблюдения за водно-тепловым режимом (см. табл. 1.1). Практически совсем не изучен деятельный слой болот зоны многолетней мерзлоты.

Комплексное и наиболее детальное изучение деятельного слоя торфя­ной залежи выпуклых олиготрофных болот Западной Сибири проводи­лось экспедициями Государственного гидрологического института с 1966 г. При этом в программе исследований особое внимание уделялось получению объективных количественных характеристик горизонта раз­вития микрорельефа и достаточно обоснованному определению средней поверхности болота (СПБ*)¹ в различных микроландшафтах. Последнее было особенно важно для привязки (в высотном отношении) всех экспе­риментальных данных по строению и водно-физическим свойствам дея­тельного слоя. Ниже дается характеристика деятельного слоя торфяной залежи по полученным экспериментальным данным для микроландшаф­тов зоны выпуклых олиготрофных болот.

Наиболее сложной по строению является верхняя часть деятельного слоя, находящаяся в пределах высоты развития микрорельефа [35, 36]. Здесь деятельный слой состоит из множества соприкасающихся своими основаниями выпуклых форм микрорельефа и не представляет собой сплошного торфяного пласта. Для расчета средних характеристик свойств среды, варьирующих в этой части деятельного слоя, нужны воз­можно более точные морфометрические данные о строении микрорелье­фа. Для получения этих данных при исследовании западно-сибирских болот применялся статистический метод линейной таксации [34, 136] поверхности, заключающийся в съемке профилей х(1) (где х — превы­шение поверхности болота над уровнем грунтовых вод, / — расстояние от некоторого постоянного начала) вертикального сечения горизонта

¹ Средняя поверхность болота (СПБ₂)—условная поверхность, находящаяся на высоте средних отметок выпуклых и вогнутых форм микрорельефа, определенная при данной глубине (г) уровня болотных вод.

66

развития микрорельефа над уровнем болотных вод и вероятностно-ста­тистическом анализе этих профилей.

Выполненный вероятностно-статистический анализ профилей х(1) показал, что они обладают свойствами эргодических стационарных фун­кций Это позволяет вести расчет статистических морфометрических характеристик микрорельефа по одному произвольно выбранному в за­данном направлении профилю х(1) достаточной длины и затем распро­странять их на всю площадь микроландшафта.

Вычисленное по профилю х(1) статистическое математическое ожи­дание X ординат профиля численно равно глубине уровня болотных вод относительно СПБ₂ в момент съемки данного профиля х(1). Благода­ря свойству стационарности профилей х(1) величина X на всей площади данного микроландшафта одинакова. Практически зеркало болотных вод и СПБ_г могут считаться параллельными поверхностями. Это под­тверждается результатами экспериментальной проверки свойства ста­ционарности профилей х(1), приведенными в табл. 3.6.

Таблица 3.

Результаты проверки свойства стационарности профилей х (/) относительно уровня

болотных вод

Название бо­	Микро ландшафт	к •«•	Статистические характеристики горизонта микрорельефа
лотного поста		о си с	*="гСПБ	5		с8
Мортымья	сфагново-кустарничковый,. об­лесенный сосной (с отдельны­ми мочажинами)	1 2	—36,7 —36,2	10,5 11,7	0,35 0,35	0,48 —0,37	± 1,27 ±1,48
Супра	сфагиово-осоково-кустарничко- вый, облесенный сосной	1 2	—28,3 —28,4	8,6 8,2	0,44 0,44	0,27 0,30	±0,97 ±0,91
Урай	сфагново-ку стар ничково-сос- новый	1 2 3	—37,7 —38,1 —37,1	10,1 9,9 10,1	0,37 0,40 0,40	0,03 0,12 0,03	±1,20 ±1,17 ±1,19

Примечание. г_СПБ — глубина уровня болотных вод от СПБ_г, равная X. Дли­на каждого из профилей х (I) составляла 90 м, интервалы между ординатами профиля Д/=10 см, а^—вероятная ошибка определения X по профилю х(1).

Условие параллельности уровня болотных вод по отношению к СПБ используется для приведения к СПБ экспериментальных характеристик деятельного слоя и „привязки" к ней поверхности элементов микрорель­ефа, а также поверхности опытных монолитов, отбираемых из торфяной залежи, „нулей" отсчета уровня водомерных скважин, положения от­дельных слоев торфяной залежи и т. п. Полевые работы производились согласно разработанной в отделе болот ГГИ инструкции, основанной на упоминавшихся выше исследованиях П. К. Воробьева [36].

На основании указанных выше свойств профилей х(1) и с помощью известных из теории вероятности математической статистики приемов

¹ Дифференциальный ш (х) и интегральный № (х) законы распределения ординат профиля х (I), а также их статистическое математическое ожидание X и дисперсия на различных отрезках профиля, снятого в одном микроландшафте, практически мало от­личаются и с увеличением длины профиля стремятся к постоянным нх значениям.

67

анализа эргодических стационарных случайных функций [119] были определены для большого числа профилей х(1) статистическое матема­тическое ожидание X, среднее квадратическое отклонение 5, коэффици­енты вариации С^ и асимметрии Са также дифференциальный ы(х) и интегральный УР(х) законы распределения Эти характеристики, обоб-

г_тсн

1 1 Л.
I №
Ч \			—г.—к — — о— о	1 2 - 3
	\ \ \\			5 В - 7 в
V ч.	К-Л		— X — X —	< 9
		V ч		ЬчГЧ
				о 1
				V

20

ЬО

60

80 Ш(х)%

Рис. 3.15. Осредненные интегральные кривые V? (х) распределения высот микрорельефа для микролаидшаф- тов зоны выпуклых олиготрофных болот Западной Сибири.

1—9 — номера кривых Щх), указанные в табл. 3.7.

щенные для различных групп микроландшафтов, имеющих наибольшее распространение в зоне выпуклых олиготрофных болот Западно-Сибир­ской равнины, приводятся в табл. 3.7 и на рис. 3.15.

¹ Способы съемки профилей х (/) вертикального сечения горизонта микрорельефа относительно уровня болотных вод и вероятностно-статистической обработки их, а так­же приемы оценки точности полученных статистических характеристик изложены в На­ставлении [136].

68

Данные табл. 3.7 показывают, что строение микрорельефа существен­но и закономерно изменяется в зависимости от типа микроландшафта и соответственно от места нахождения данной группы микроландшафтов на болотном массиве относительно направления линий тока.

Судя по величине среднего квадрэтического отклонения 5 и ампли­туды колебаний ординат профилей х(1) А_к, наибольшего развития го­ризонт микрорельефа достигает в микроландшафтах, расположенных на склонах болотных массивов (табл. 3.7).

Здесь микроландшафты представлены преимущественно комплекса­ми различных растительных ассоциаций и имеют резко выраженные крупные формы микрорельефа поверхности в виде обширных понижений (иногда занятых озерами), мочажин и гряд. Микроландшафты, находя­щиеся в центральной части крупных болотных массивов или занимающие полностью отдельные небольшие выпуклые массивы, имеют несколько меньшую мощность горизонта развития микрорельефа. Значительно мень­ше, чем в других микроландшафтах, развит микрорельеф в безлесных микроландшафтах, занимающих сильно обводненные ложбины на кон­такте с суходолами или другими болотными массивами.

Из приведенных в табл. 3.7 значений коэффициента асимметрии видно, что в подавляющем большинстве исследованных микроландшаф­тов горизонт развития микрорельефа имеет симметричное или близкое к нему строение. Меньшая часть микроландшафтов, для которых С₈ составляет 0,75—1,65, имеют асимметричное строение горизонта микро­рельефа за счет увеличения удельного веса площади, занятой плоскими понижениями и мочажинами.

В соответствии с общей теорией развития болотных массивов и опре­делением понятия „микроландшафт" [83] микроландшафты, относящиеся к одному и тому же типу, должны обладать одинаковым микрорельефом и одинаковым составом растительного покрова, Поэтому осредненные данные, приведенные в табл. 3.7, могут быть использованы для характе­ристики строения микрорельефа микроландшафтов соответствующих типов на других, неисследованных болотных массивах в зоне выпуклых олиготрофных болот Западной Сибири.

Интегральные кривые №(х), построенные по данным статистической обработки профилей х(1), являются суммарными характеристиками рас­пределения элементов микрорельефа по высоте относительно СПБ или кривыми заполнения растительным веществом слоя развития микрорель­ефа. По ним определялись различные морфологические характеристики слоя развития микрорельефа: его толщина, площади (в % от общей площади микроландшафта), которые занимают элементы микрорельефа той или иной высоты относительно СПБ, а также устанавливались коли­чественные соотношения свободной емкости межкочечных понижений и объемов кочек в горизонте микрорельефа при различной высоте уровня болотных вод относительно СПБ. Осредненные кривые №(х) для выде­ленных в табл. 3.7 болотных микроландшафтов приведены на рис. 3.15. Они так же, как и данные табл. 3.7, могут быть использованы для ха­рактеристики соответствующих микроландшафтов неисследованных бо­лот.

В соответствии с определением деятельного слоя [81, 124] толщина .его численно равна глубине среднего многолетнего минимального уровня болотных вод в данном микроландшафте. Аналогично этому деятельный слой болот, находящихся в зоне распространения многолетней мерзлоты, должен представлять собой слой сезонного оттаивания торфяной залежи

69

Таблица 3.7

Статистические характеристики профилей х (I) вертикального сечения горизонта развития микрорельефа в различных микроландшафтах, обследованных в зоне выпуклых олиготрофных болот Западной Сибири

Тип микроландшафта

Приуроченность

. о з;

• 3-е-

> осо ! а

и о ! а я

2 = гао

> н а

Коэффициент асимметрии С,

Сосново-сфагново-кустарничко- вый (с отдельными мочажи­нами)

Сфагново-ку старничково-сосно- вый

Сфагново-ку старничково-сосно- вый (с отдельными мочажи­нами)

Сфагново-кустарничковый, об­лесенный сосной Сфагново-кустарничковый, об­лесенный сосной (с отдель­ными мочажинами) Лишайниково-сфагново-кустар- ничковый, облесенный сос­ной

Сфагново-пушицево-кустарнич-

ковый, облесенный сосной Сфагново-осоково-пушицево- кустарничковый с сухостоем и редкой низкорослой сос­ной

Сфагново-осоково-шейхцерие- вый (с вахтой)

Гр ядово-мочажинный комплекс: гряды (40%) сфагново-ку- старничковые, облесенные сосной;

мочажины (60%) сфагново-шейх-

цериево-осоковые Грядово-мочажииьый комплекс: гряды (40—50%) сфагново-кус- тарничковые, облесенные сос­ной; мочажины (50—60%) сфагново-осоково-шейхцерие- вые

Грядово-мочажинно-озерко-

вый комплекс: гряды (40%) сфагново-кустар- ничковые, облесенные сосной и березой; мочажины (40%) сфагново-осоково-шейхцерие- вые; озерки—20% Грядово-озерковый комплекс: гряды (40%) сфагново-кустар- ничковые, облесенные сосной

На контакте с минеральными островами

Центр, дрениро­ванные участки

Склоны

Центральные участки Склоны

Пологие склоны

Окрайки

Окрайка, застой­ные топи

Проточные топи в истоках болотных ручьев и речек Центральная часть

Склоны

Склоны (филь­трационные то­пи)

Склоны

68

51 71

49 56

45

46 38

34 98

54

93

58

12,8

9,0 13,2

8,6 10,0

9.1

6.2

5,6

17.1

14.2 15,8

11,3

0,40

0,41 0,41

0,42 0,34

0,40

0,50 0,45

0,40 0,37

0,71

0,51

0,38

0,11

0,06-0,61 0,33-0,40

0,48

—0,39— -(-0,48)

—0,14— —(-0,02)

0,30-0,62

0,58-1,51

0,23-0,75 0,47

0,40—0,46

1,65

-0,11—0,16 7

* Для микроландшафтов с одинаковым или достаточно близким распределением высот микрорельефа на рис. 3.15 приводятся осредненные кривые V? (х).

7Р

и, следовательно, его мощность должна определяться величиной тепло­энергетических ресурсов поверхностного слоя залежи. В данном случае гидрологический термин „деятельный слой торфяной залежи" имеет та­кое же смысловое значение, как и аналогичный термин, используемый в мерзлотоведении. Поэтому расчет толщины деятельного слоя производит­ся по данным уровенных наблюдений и наблюдений за оттаиванием тор­фяной залежи в условиях многолетней мерзлоты (табл. 3.8).

Таблица 3.8

Толщина деятельного слоя торфяной залежи (слой сезонного оттаивания) болот в зоие многолетней мерзлоты

Характеристика участка	Средняя толщина дея­тельного слоя, см
1. Полигональные болота (район пос. Тазовского):
различные участки полигональных болот	35—40
полигон с лишайниково-кустарничковой растительностью	36
эрозионные ложбины стока со сфагново-осоковой расти­тельностью	47
2. Плоскобугристые болота (бассейн р. Правой Хетты):
плоские повышения с лишайниково-сфагново-кустарничко- вой растительностью	49
3. Верховые болота в районах деградации многолетней мерзлоты (оз. Нумто):
сфагново-кустарничково-лишайниковый микроландшафт	40
проточные топи в таликовых понижениях со сфагново-осо- ково-шейхцериевой растительностью	32

Для определения толщины деятельного слоя микроландшафтов раз­личных болотных зон Западной Сибири были использованы материалы соответствующих видов стационарных наблюдений на болотных постах Гидрометслужбы и экспедиционных исследований гидрометеорологиче­ского режима болот Западной Сибири, полученные экспедицией ГГИ в период с 1959 по 1972 г.

Расчет средних многолетних минимальных уровней воды для всех микроландшафтов болотных зон, расположенных южнее Сибирских Ува­лов, производился по наблюденным уровням периода летне-осенней ме­жени (июнь — октябрь). При этом было замечено, что в некоторых ми­кроландшафтах верховых болот минимальные зимние уровни, особенно перед началом снеготаяния, были ниже, чем в летне-осеннюю межень. Однако в расчет они не принимались, так как падение уровня болотных вод ниже деятельного слоя в это время обусловлено главным образом перераспределением влаги в торфяной залежи (термокапиллярным под­током болотных вод к нижней границе промерзающего слоя залежи и закреплением ее в этом слое) и мало зависит от влагообмена болот с окружающей средой из-за резкого его уменьшения в этот период года

[131].

Результаты расчетов толщины деятельного слоя, выполненных по дан­ным уровенных наблюдений, приведены в табл. 3.9 и 3.10 раздельно для микроландшафтов зоны выпуклых олиготрофных болот и зоны плоских евтрофных и мезотрофных (осоково-гипновых) и вогнутых евтрофных

71

(тростниковых) и засоленных (травяных) болот. Приведенные в этих таблицах значения толщины деятельного слоя следует рассматривать как приближенные, так как они были вычислены по сравнительно коротким рядам уровенных наблюдений (до 12 лет). По мере удлинения рядов наблюдений они могут быть уточнены. Однако можно утверждать, что отклонения от приведенных значений при этом составят не более 10— 20%, так как произведенный параллельный расчет средних минимальных уровней за 60-летний период по восстановленным уровням и за 8-летний период по наблюденным уровням дал весьма незначительные расхожде­ния между ними: 2—5 см (табл. 3.9).

Таблица 3.9

Толщииа деятельного слоя торфяной залежи болотных микроландшафтов зоны выпуклых олиготрофных болот

	Толщина деятельного слоя, см
Микроландшафт	по данным на­блюдений за глубиной уров ня болотных вод	вычислен­ная по ме­теорологи­ческим данным1
Мохово-лесная группа:
сфагново-ку старничково-сосновый	54	58
сфагиово-кустариичковый, облесенный сосной	49	47
Моховая группа:
сфагново-осоково-пушицево-кустарничковый, облесенный сухостоем и низкорослой сосной	22	—
Мохово-травяная (проточные топи):
сфагново-осоково-шейхцериевый	16	—
Грядово-мочажинный комплекс:
гряды сфагново-кустариичковые, облесенные сосной (50%), мочажины сфагиово-шейхцериевые (50%)	44	49
гряды сфагново-кустарничково-лишайниковые, 'облесенные сосной (50%); мочажины сфагново-осоковые (50%)	38	42
Грядово-мочажиино-озерковый комплекс:
гряды сфагново-кустарничковые, редко облесенные сосной (40%); мочажины сфагново-шейхцериевые и сфагново-пуши- цевые (40%); озерки (20%)	33	"
Грядово-озерковый комплекс:
гряды сфагиово-кустарничковые, облесенные сосной (40— — 50%); озерки (60—40%)	39	41