Pollen spectra of Polar Ural glaciers

Vasil'chuk Alla Constantinovna Doctor of Geography Leading Research Fellow, Laboratory of Geoecology of the Northern Territories, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, g. Moscow, Leninskie Gory, GSP-1, 1,, geograficheskii fakul'tet, NIL geoekologii Severa alla-vasilch@yandex.ru Other publications by this author

Vasil'chuk Jessica Yur'evna ORCID: 0000-0002-4855-8316 Junior Researcher, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Leninskie Gory 1, office 2007, Moscow, Russia jessica.vasilchuk@gmail.com Other publications by this author

ВВЕДЕНИЕ

В ходе продолжающегося глобального потепления прогнозируется, что все ледники Полярного Урала растают, так как в период голоценового оптимума ледники на Полярном Урале исчезали. В настоящее время зафиксировано полное таяние ледника МГУ, который в середине ХХ века считался вторым по величине и самым длинным в этой зоне, длина его достигала 2,2 километра.

Рис. 1. Кар на месте вытаявшего ледника МГУ на Полярном Урале, 2020 г. Фото: Научный центр изучения Артики. С сайта https://arctic.yanao.ru/presscenter/news/48053/

Темпы таяния ледников увеличиваются, поэтому очень важно получить информацию по объектам, которые столь быстро меняются. Анализ пыльцы и спор имеет огромный потенциал для индикации тех или иных явлений и объектов. Но для того, чтобы реализовать этот потенциал требуется разработанная научная база для оценки особенностей изучаемого объекта и аналогов, позволяющих адекватно интерпретировать результаты исследования. Так, например, чтобы использовать индикационные возможности палинологического анализа для определения их генезиса пластовых льдов необходимо отделить льды, накопившиеся на поверхности земли от льдов, сформировавшихся при промерзании отложений. Для этих целей наиболее адекватным аналогом льдов, сформировавшихся на поверхности земли, являются современные ледники и снежники, расположенные максимально близко к изучаемым пластовым льдам. Целью данной работы является анализ полученных палинологических данных по ледникам и снежникам Полярного Урала и Ямала для целей индикации генезиса пластовых льдов. Объект изучения Ледник Романтиков, который расположен на расстоянии менее 200 км от самой южной пластовой ледяной залежи на полуострове Ямал на р. Еркутаяха и может служить своеобразным модельным объектом для оценки палиноспектров. Основным подходом к исследованию является выделение особенностей палиноспектров ледников, снежников и льдин, выделение типичных элементов их палиноспектров.

Изучение палиноспектров ледников началось в Этцальских Альпах в 1935 г. ^[1], было установлено, что концентрация пыльцы в льду ледников может быть достаточно высокой для получения разнообразной информации. В частности, были выделены сезонные слои, что позволило сразу же оценить годичную динамику пыльцевой эмиссии, а также сравнить пыльцевую продуктивность различных видов. В виду высокой информативности такие исследования проведены в разных регионах земного шара ^[2,3,4].

Местоположение

Полярный Урал тянется от горы Константинов Камень на севере до верховий реки Хулга на юге (южнее начинается Приполярный Урал с самыми высокими вершинами Уральских гор). В координатах это территория между 68°30´ и 65° 40´ северной широты. Ледник Романтиков находится в пределах горного массива Рай-Из от которого начинается южная часть Полярного Урала. На карте Рай-Из напоминает большую подкову. На севере и западе массива — крутые обрывы, а на юге и востоке — более пологие спуски. Известно, что раньше народ коми называл массив «Грана-Из» — «Пограничный камень». Вероятно, имелось в виду географическое расположение горного массива на границе долины реки Собь, лежащей на древнейшем пути через Урал. Ледник Романтиков расположен на Полярном Урале (66°54'8"с.ш., 65°26 '1"в.д., высота 920 м над уровнем моря - рис.2).

Рис. 2. Ледник Романтиков. Фото из ^[5]

Это цирковый ледник, связанный пространственно с отдельным одиночным цирком на южном склоне горного хребта Рай-Из ^[6] (рис. 2). Тело ледника расположено на северной стене и примыкающей к нему нижней части подковообразного цирка. Отметка уровня воды ледникового озера составляет 709,0 м. Длина ледника в субширотном и северо-восточном направлении достигает 500 м, площадь около 0,3 кв. м. км Снежная линия расположена на высоте 1350 м над уровнем моря. Существование ледника связано с концентрацией снега на ветреных склонах из-за метелей и лавин.

Согласно данным ближайшей метеостанции в пос. Елецкий (67.05 с.ш., 64.07 в.д., высота над уровнем моря 115 м.), находящейся в 53 км на запад от ледника Романтиков, с 1959 по 2019 год ^[7] среднегодовая температура варьировала от -1.3 ⁰С в 1959 г до -7.8 ⁰С в 1998 г. , в среднем составляя -4.8 ⁰С. Среднеянварская температура колебалась в этот период от -10.7⁰С в 1981 г. до -27.6⁰С в 2014 г., но наиболее низкие среднемесячные температуры наблюдались в феврале -30.2⁰С в 1966 г. и -29.6⁰С в 1998 г. Среднегодовое количество осадков 605 мм, максимальное 910 мм в 1975 г., минимальное 391 мм в 1985 г. К концу зимы средняя толщина снежного покрова на западном склоне Северного и Приполярного Урала превышает 90 см. Очень важный момент для существования ледников на Полярном Урале – это метелевый перенос. По количеству метелей горная область Полярного Урала занимает одно из первых мест в России. Ежегодно в северной части Полярного Урала бывает в среднем 165 дней с метелью, в южной — 137. С ноября по март бывает в среднем от 14 до 24 дней с метелью, а в отдельные годы метет почти ежедневно. Снежные бураны в Полярном Урале наметают в ущелья сугробы высотой 20 м и выше. Поэтому в южной части Полярного Урала Полярном Урале часто встречаются так называемые «деревья-флаги»: лиственницы с характерной кроной, растущей только на восточной стороне ствола. Влажные воздушные массы, идущие с запада, задерживаются горными хребтами, и благодаря более теплому, сухому и продолжительному лету на восточном склоне Полярного Урала лиственничные и березовые леса встречаются на 100 км севернее и значительно выше в горах, чем на западном склоне. В Полярном Урале наблюдается климатический феномен: при антициклональной — ясной, безветренной и морозной — погоде высоко в горах происходит температурная инверсия, в результате которой наверху на 15-25 °С теплее, чем в долинах рек и на предгорных равнинах. Причина в том, что более холодный, а оттого более плотный и тяжелый воздух стекает с гор вниз и застаивается в долинах и на равнинах. По данным наблюдений уже несуществующей станции Большая Хадата ^[8], находящейся в 90 км к северу от ледника Романтиков, формирование устойчивого снежного покрова датируется концом сентября, а его таяние приходится на начало июня. В среднем снежный покров держится в течение 237 дней. Годовое количество осадков в районе водораздела у истока р.Большая Хадата составляет от 530 до 860 мм, в том числе твердых – от 320 до 540 мм. К западу от водораздела на уровне гребней хребтов осадков выпадает до 1200–1500 мм/год, но даже этого их количества недостаточно для существования ледников – это намного меньше, чем может стаять. Существование уральских ледников, в том числе и ледника Романтиков, возможно лишь благодаря концентрации огромных масс метелевого и лавинного снега в глубоких карах восточных подветренных склонов. Средняя годовая температура воздуха в районе метеостанции Большая Хадата колеблется от –4,6 до –8,2 °С. Средняя температура самого холодного месяца от –10,9 до –26,7 °С, самого теплого –от +10,9 до +14 °С. Продолжительность морозного периода от года к году варьирует около 250 дней, сумма осадков за весь период аккумуляции – от 300 до 600 мм.

Растительность

Поскольку влажные воздушные массы, идущие с запада, задерживаются горными хребтами, и благодаря более теплому, сухому и продолжительному лету на восточном склоне Полярного Урала лиственничные и березовые леса встречаются на 100 км севернее и значительно выше в горах, чем на западном склоне. Верхняя граница леса в южной части Полярного Урала в Предуралье представлена березой и пихтой, в Зауралье – елью и лиственницей. Редкие березовые и лиственничные леса встречаются в северной части Полярного Урала а восточных склонах по долинам рек, на западных склонах по долинам рек в основном кустарниковые виды ив и берез. Южная граница ареала сибирского кедра находится в этом районе на 66⁰ с.ш. Интересно, что условия произрастания ближе к вершине горного хребта лучше, чем на равнинных участках. Причина заключается в хорошем дренаже и более благоприятном температурном режиме из-за того, более холодный, а оттого более плотный и тяжелый воздух стекает с гор вниз и застаивается в долинах и на равнинных участках. на Полярном Урале четко выражены горно-тундровый и подгольцовый пояса. Древесные породы основной источник пыльцы. Лиственница сибирская Larix sibirica Ledeb. в подгольцовом поясе южной части Полярного Урала формирует редколесья, а в горно-лесном поясе сомкнутые древостои. В северной части Полярного Урала по долинам рек Байдарата (и ее притоков), Щучья, Лаптаяха формирует редколесья по южным склонам гор, а в долинах Няровей-Хадаты и Б. Хадаты появляются сомкнутые древостои, часто с примесыо ели. Южнее Б. Хадаты в горной части по доли­нам рек лиственница обычна. В предгорьях восточного макросклона и в равнин­ной лесотундре является основным лесообразующим видом. Ель сибирская Picea obovata Ledeb. в подгольцовом и горно-лесном поясах в южной части Полярного Урала обычна, формирует примесь к лиственничным древостоям, реже доминирует. В северной части Полярного Урала севернее р. Б. Хадата, в долине которой местами доминирует. В равнинной лесо­тундре обычна, по чаще как примесь к лиственнице. Сосна сибирская, сибирский кедр Pinus sibirica Du Tour встречается в долинах рек, по окраинам торфяных болот; очень редко, наиболее северные единичные местонахождения зафиксированы у оз. Ворчато, в долине р. Нелька ^[9].

В типичных растительных сообществах Южной части Полярного Урала травяно-кустарничково-мохово-лишайниковых горных тундрах приуроченных к каменисто-щебнистым склонам, почвообразующая порода – суглинки, общее проективное покрытие около 70–100%. Травы довольно редки, доминируют кустарнички Vaccinium uliginosum subsp. microphyllum, Ledum decumbens. Проективное покрытие мхов от 10–20% (Racomitrium lanuginosum) до 30–40% (встречаются также Limprichtia revolvens (Sw.) Loeske, Hylocomium splendens (Hedw.) Schimp. in B.S.G.) ^[10]. В растительных сообществах ерниковых кустарничково-(травяно)-лишайниково-моховых горных тундр в южной части Полярного Урала под кустарниковым ярусом высотой 7–20 см и сомкнутостью 0,4 преимущественно произрастают Ledum decumbens и Vaccinium uliginosum sub sp. microphyllum (ПП = 20–60%). Моховой покров мозаичный ^[10], представлен в основном зелеными мхами. Среди трав встречаются представители семейств камнеломковых, гречишных (рис. 3, 4). Растительный покров вокруг ледника несомкнутый проективное покрытие не превышает 30%. В виде небольших куртин вблизи ледникового озера встречены растения семейств Poaceae, Ranunculaceae, Saxyfragaceae, Polygonaceae.

Рис. 3. Представители семейства Saxyfragaceae (Saxyfraga cespitisa L.), встречающиеся на массиве Рай-Из ^[11]

Рис. 4. Представители семейства Polygonaceae (Polygonum bistorta L.), встречающиеся на массиве Рай-Из ^[12]

Материалы и методы

Отбор проб для спорово-пыльцевого анализа проводился (рис. 5) с учетом морфометрических особенностей поверхности ледника, с поверхности ледникового льда, с поверхности фирна, еще не преобразовавшегося в фирн снега и со дна приледникового озера.

Рис. 5. Схема отбора образцов с поверхности ледника Романтиков

Каждый образец льда был помещен в 300-мл полиэтиленовую бутылку высокой плотности после полного таяния и оставлен на 24 часа перед разделением на пластиковые флаконы для различных анализов. Остаток со дна флакона отбирался для анализа пыльцы с целью получения достаточной концентрации пыльцы и спор. Обработка образцов для анализа пыльцы включала испарение остатка, дефлокуляцию с использованием KOH, центрифугирование, фильтрацию через сита 40 мкм, 10 мкм и 2 мкм и помещение образцов пыльцы в глицерин. С целью снижения риска потерь микрофоссилий в процессе экстракции мы не использовали стадии дефлокулирования КОН и HF-обработки для образцов чистого льда. Проценты, рассчитаны на основе суммы пыльцы деревьев, кустарников и трав. Идентификация пыльцы и спор производилась под световым микроскопом при увеличении 400х на базе палинологической коллекции А.К. Васильчук в лаборатории геоэкологии Севера МГУ им. М. В. Ломоносова, российской пыльцевой базе данных пыльцы (pollendata.org.) а также с использованием определителей ^[13,14]. Пыльца березы разделена секции Betula sect Albae (древесные формы) и Betula sect. Nanae (кустарниковые и кустарничковые виды берез) (по ^[13]). Пыльца сосны была идентифицирована как пыльца сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) и сосны сибирской (Pinus sibirica) на основе авторской коллекции поверхностных образцов и гербария из района исследования, а также авторской справочной коллекции пыльцы.

Из-за низкой концентрации пыльцы мы подсчитывали все микрофоссилии в полученном остатке во фракции 10-40 мкм. Фракцию 2-10 мкм использовали для выявления мелких спор. Концентрация рассчитывалась как отношение подсчитанных пыльцевых зерен к объему ледяной пробы, который во всех случаях был равен или чуть больше 300 мл. Очевидно, что полученные значения концентрации отличаются от тех, которые можно было бы получить с использованием таблеток ликоподия ^[15,16].

Результаты и обсуждение

Полученные результаты палинологического исследования (рис. 6) продемонстрировали, что палиноспектры с поверхности ледника Романтик существенно отличаются от палиноспектров поверхностных проб в тундровой зоне ^[17]. Прежде всего, палиноспектры с поверхности ледника отличаются обилием и разнообразием пыльцы теплолюбивых деревьев, процентное содержание пыльцы термофильных пород в общей сложности составило 8-22%., это в основном Tilia и Corylus, отмечено присутствие пыльцы Carpinus, Acer, Quercus, Fraxinus, Ulmus. При этом пыльца Tilia (1-6%) встречена практически во всех образцах, почти также часто встречается пыльца Corylus (2-3.5%). Пыльца Carpinus (0.4-1.2%) отмечена в снегу года отбора образца и во льду, пыльца Ulmus и Fraxinus отмечена в снегу и фирне. В палиноспектрах доминирует пыльца Pinus sylvestris и Betula sect. Albae. Если высокое содержание пыльцы березы обусловлено тем, что и в Предуралье и в Зауралье она участвует в составе горных лесов, то более низкое содержание пыльцы P. sibirica вероятно говорит о том, что на ледник Романтиков воздействуют в основном воздушные массы, приходящие с юго-запада, где сосна доминирует в лесах. Вполне закономерно присутствие пыльцы Picea и Abies, как участников фитоценозов в подгольцовом поясе, практически во всех образцах в среднем 4-5%. Незначительное участие пыльцы кустарников находится в соответствии с их практическим отсутствием в окрестностях. Скудная растительность в окрестностях ледника довольно подробно отражается в палиноспектрах на его поверхности. Отмечена пыльца семейств Saxyfragaceae, Ericaceae, Caryophyllaceae, Polygonaceae (Polygonum bistorta), Rosaceae и др. Присутствие пыльцы Poaceae, Ranunculaceae зафиксировано в пыльцевых спектрах придонной воды ледникового озера, в снегу и льду. Polypodiaceae (11-19%) и Sphagnum (14-27%) преобладают среди спор, хотя их местообитания удалены на значительное расстояние от ледника. Максимальная концентрация пыльцы и спор отмечена в чистом льду 579 экз./л, минимальная -231 экз./л – также в чистом льду.

Рис. 6. Спорово-пыльцевая диаграмма поверхностных проб на леднике Романтиков

Мы обнаружили небольшое количество (1-3%) пыльцы Poaceae и Cyperaceae, а также спор Polypodiaceae в спектрах пыльцы, полученных с поверхности снежника в районе пос. Полярный (Полярный Урал) (66°25'23" с.ш., 64° 29' 51" в.д.). Однако пыльца злаков и осок, а также спор папоротников не была обнаружена в спектрах пыльцы небольшого ледника, расположенного неподалеку ^[17]. Последний характеризуется более высоким содержанием Pinus sylvestris (26-36%), P. sibirica (9-16%), Betula sect. Nanae (8-11%) и спор Sphagnum (18-26%), в то время как содержание пыльцы Ericaeae не превышает 1%. Споры Bryales и Equisetum не обнаруживаются в спектрах пыльцы ни снега, ни льда.

Палиноспектры из снежника на пляже Карского моря на полуострове Мамонта (71°55'43" с.ш., 76°10'44" в.д.) характеризуется обилием пыльцы Ericales (25-30%), пыльцы Poaceae и Cyperaceae (19-30%), незначительным участием Betula sect. Nanae (6-12%) и пыльцы трав (9-15%), наряду с довольно высоким уровнем дальнезаносной пыльцы (Pinus sylvestris + P. sibirica - 9-11%). Споры, обнаруженные в снежниках и на поверхности морских льдин, - это Bryales (10-27%) и Sphagnum (4-6%). Содержание переотложенных палиноморф невелико, не более 1-3% (табл. 1). Палиноспектры снежников отражают состав окружающего растительного покрова, но содержат дальнезаносные компоненты в заметном количестве. Соотношение пыльцы и спор региональных и локальных компонентов относительно дальнезаносных определяется пыльцевой продуктивностью анемофильных растений локальных и региональных фитоценозов.

Таблица 1. Процентное содержание пыльцы и спор на снежниках и льдинах п-вов Ямал, Гыданский (%). По А.К.Васильчук ^[18]

Примечание: расчет процентного содержания палинотаксонов от суммы пыльцы и спор, исключая переотложенные формы.

Состав палиноспектров на поверхности ледника Романтиков в большой степени отражает особенности атмосферной циркуляции на южном склоне. Если сравнивать полученные результаты с результатами, полученными Т.Г.Суровой по леднику ИГАН ^[19], то заметно отличие. Ледник ИГАН расположен на высоте 1000-1200 м над уровнем моря. Палиноспектры ледника ИГАН характеризуются преобладанием пыльцы Pinus sibirica и Betula sect. Nanae. Пыльца сибирского кедра содержится в количестве близком к максимальному по сравнению с поверхностными пробами почв в долине реки Большая Хадата. Для образцов изо льда характерно невысокое содержание пыльцы Pinus sylvestris, вероятно отражающее сезонное поступление пыльцы на поверхность ледника, в то время как на леднике Романтиков пыльца сосны доминирует. Пыльца лиственницы не встречена ни в снежном покрове, ни во льду ^[19], возможно это связано с тем, что, попадая на снег, пыльца лиственницы быстро разрушается из-за пребывания в пресной воде ^[17]. Пыльца лиственницы также не отмечена и на леднике Романтиков. Характерной особенностью палиноспектров изо льда и снега на обоих ледниках является полное отсутствие пыльцы трав и спор зеленых мхов. Зато содержание спор сфагновых мхов в споров-пыльцевых спектрах ледника ИГАН превышает 50% от общего количества подсчитанных пыльцевых зерен и спор. Заметно высоко также содержание спор многоножковых папоротников ^[19]. Это подтверждает, что споры этих растений хорошо переносятся ветром, толстая спорина не дает разрушаться спорам, попавшим на лед. Палиноспектры из снежного покрова и льда в данном случае, по нашему мнению, отражают зимне-весеннюю составляющую регионального пыльцевого дождя, поскольку пыльца трав, цветущих в летний сезон отсутствует в палиноспектрах ледника ИГАН. На леднике Романтиков пыльца трав местных видов содержится в небольшом количестве, но при этом ее состав достаточно разнообразен. Возможно этому способствует локальные ветры и возможно метелевый перенос, который в этом районе весьма интенсивен. Очевидно, что ледник Романтиков и ледник ИГАН находятся под воздействием различных воздушных масс. Присутствие пыльцы липы, вяза, лещины, клена и других широколиственных пород во льду и снежном покрове ледника Романтиков свидетельствует на наш взгляд о движении воздушных масс с юга на север вдоль Уральского хребта в период цветения широколиственных пород в мае-июне. Об этом же говорит и высокое процентное содержание пыльцы сосны обыкновенной, которая на Полярном Урале не встречается, а произрастает на Северном Урале. Известно, что в среднем дистанция, на которую переносится пыльца в благоприятных условиях (скорости ветра 23-39 км/час и наличие соответствующих атмосферных структур) составляет 1000-2500 км ^[20]. По разнообразию представленных в спектрах палинотаксонов можно сказать, что палиноспектры поверхностных проб ледника Романтиков близки к палиноспектрам, которые были определены на куполе Вавилова ^[21]. Очевидно, что причины этого сходства разные. На куполе Вавилова выпадение пыльцы происходит в результате внедрения среднеширотных фронтальных штормов в арктическую зону – это важная особенность синоптического режима высокой Арктики, которая в наибольшей степени способствует привносу дальнезаносной пыльцы, а также пыльцы и спор из тундровых и лесотундровых районов.

Выводы

1. Палиноспектры с поверхности ледника Романтиков отличаются обилием и разнообразием пыльцы широколиственных деревьев, процентное содержание пыльцы термофильных пород в общей сложности составил 8-22%, это в основном Tilia и Corylus, отмечено присутствие пыльцы Carpinus, Acer, Quercus, Fraxinus, Ulmus.

2. Для переноса пыльцы и спор на поверхность ледника Романтиков наиболее значимым является меридиональное перемещение воздушных масс вдоль Урала.

3. Пыльца трав может попадать на поверхность ледника не только в летний период, но также благодаря интенсивному метелевому переносу и концентрации снега на теле ледника.

Авторы благодарят к.г.-м.н. Г.Е.Облогова за помощь в отборе образцов.