CC BY
48
УДК 631.4
А.С. Цибарт1, А.Н. Геннадиев2
НАПРАВЛЕННОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПРИАМУРЬЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПИРОГЕННОГО ФАКТОРА
На основании исследования нескольких рядов почв, испытавших различное воздействие лесных пожаров на территории Норского заповедника (Приамурье), выявлены особенности пирогенных изменений почвенных свойств. В почвах, пройденных огнем, как правило, возрастает содержание органического углерода, расширяется отношение Сгк/Сфк, возрастает магнитная восприимчивость и уменьшается кислотность. Исключение составляют почвы крутых каменистых склонов, где гумусированность уменьшается, а значения рН падают из-за усиления промывания почв, а также торфянистые почвы, в которых сгорает часть органического материала. Обнаружено, что концентрация полициклических ароматических углеводородов, являющихся продуктами пиролиза древесины, выше на прилегающих к гарям почвах, чем на самих гарях, что может быть связано с переносом этих соединений восходящими токами теплого воздуха.
Ключевые слова: пирогенные изменения почв, органический углерод, групповой состав гумуса, кислотно-основные условия, магнитная восприимчивость почв, полициклические ароматические углеводороды.
Введение. Оценка влияния пирогенного фактора на почвы является важной теоретической и прикладной задачей современного географо-гене-тического почвоведения. В значительной степени это обусловлено расширяющимися площадями лесных пожаров и увеличением экологического и экономического ущерба, приносимого ими. Весьма актуально исследование почв, пройденных огнем, в условиях Приамурья — региона, леса которого отличаются повышенной пожарной опасностью.
Анализ литературного материала позволяет выделить несколько этапов и направлений в изучении пирогенных почвенных явлений. Во-первых, это постоянное расширение комплекса изучаемых почв и отдельных почвенных свойств; во-вторых, периодическое обобщение накопленного материала; в-третьих, выявление различий в оценках исследователей и некоторой противоречивости получаемых данных. В ранних работах, посвященных рассматриваемой теме, изучались в основном отдельные свойства почв: содержание различных форм азота [1], водно-растворимых веществ [36] и др. Позднее происходит расширение набора изучаемых характеристик: уделяется внимание физическим свойствам почв, температурному режиму, режиму влажности, интенсивности биологических процессов, содержанию органического вещества [6, 7, 9, 11—13, 16, 20, 21, 24, 33].
По мере накопления первичных данных появляются работы обобщающего характера. Отмечается, что пирогенные почвы не укладываются в обычные региональные почвенные классификации, разрабатываются классификации пирогенных изме-
нений почв [8, 23, 29, 30, 37]. Пирогенные явления в почвах рассматриваются в ландшафтно-геохими-ческом аспекте, уделяется внимание влиянию геоморфологических особенностей на трансформацию почв, пройденных огнем [28].
В работах на рассматриваемую тему, особенно опубликованных на протяжении двух последних десятилетий, выявляется тенденция к усилению неоднозначности данных, касающихся изменения свойств почв, пройденных лесными пожарами. Противоречия касаются главным образом изменений содержания в почвах гумуса, обменных катионов, элементов минерального питания растений, значений рН, влажности почв, связанных с воздействием огня на почвенный покров.
Так, по одним данным, влажность почв после пожара возрастает из-за уменьшения транспираци-онного расхода влаги растительностью и увеличения поступления осадков на поверхность почвенного покрова в результате разрушения древостоя [13]. По другим сведениям, происходит обезвоживание илистой и коллоидной фракций, которые связывают влагу [11, 33], кроме того, из-за уплотнения почвы происходит уменьшение полной влагоемко-сти [32]. При оценке изменений кислотно-основных свойств почв часто отмечается смещение показателя рН от кислого к нейтральному и щелочному диапазону, что объясняется нейтрализацией органических кислот в верхних почвенных горизонтах зольными элементами сгоревших растений [12, 33, 37—39]. В то же время в других источниках описано пирогенное снижение рН, связанное
1 Кафедра геохимии ландшафтов и географии почв: аспирант, e-mail: atsibart@mail.ru; 2 профессор, докт. геогр. н., e-mail: alexa-
genna@mail.ru
с выносом щелочноземельных элементов под влиянием осадков и паводковых вод [34].
Некоторые авторы отмечают снижение содержания гумуса из-за сгорания органического материала [11, 33, 38], тогда как другие указывают, что на гарях интенсифицируется дерновый процесс и содержание гумуса заметно возрастает [24]. В некоторых случаях в литературе отмечается, что в первые годы после пожара в почвах имеет место повышение содержания калия и фосфора, но через некоторое время оно возвращается к допожарному уровню. Аналогичная ситуация наблюдается в содержании обменных катионов [8, 9, 16, 34]. Вместе с тем есть указания на то, что содержание обменных катионов, а также валовых форм азота и фосфора после пожара не меняется [1, 20].
Наряду с неоднозначностью оценки пироген-ных почвенных явлений выявляются и некоторые общие представления об изменениях почв вследствие лесных пожаров. Они касаются главным образом трансформации физических почвенных свойств, а также их биологического статуса. Исследователи, как правило, отмечают, что под влиянием высокой температуры ухудшается микроагрегированность почв, возрастает их объемная масса и уменьшается общая пористость верхних горизонтов, происходит увеличение плотности, а также увеличивается содержание мелких фракций и уменьшается содержание крупных [1, 11, 12, 33]. Изменяется температурный режим: увеличивается суточная амплитуда температуры [16], биологически активная температура отмечается на большей глубине [3], повышается температура поверхностных горизонтов [13, 20]. Сезонно-талый слой в почвах после лесных пожаров становится мощнее, при этом на территориях с несплошной мерзлотой происходит ее более значительное отступание. Уменьшается водо-удерживающая способность и снижается водопроницаемость почв [16].
Одинаково в литературе оцениваются особенности изменения биологических процессов в почвах, пострадавших от огня: при пожарах слабой интенсивности на гарях происходит их активизация [13, 20, 21], при сильных пожарах, напротив, биологические процессы замедляются [20].
Таким образом, особенности изменения почв в результате воздействия на них лесных пожаров требуют дальнейшего изучения.
Объекты и методы исследований. Работы проводились на территории Норского заповедника, расположенного на северо-востоке Амуро-Зейской равнины на стыке с Зейско-Буреинской равниной и подножием Селемджинского хребта. Территория заповедника постоянно подвергается лесным пожарам различной продолжительности и интенсивности.
В наших исследованиях лесные пожары были ранжированы по их последствиям, выявляемым на
основе особенностей повреждения древостоя. Выделяется 5 следующих степеней силы лесного пожара в порядке от слабой до сильной:
I — древостой повреждается незначительно, почти не изреживается, возможный отпад составляет 0—30% по числу деревьев или 0—25% по запасу древесины;
II — происходит заметное изреживание древостоя в основном за счет отмирания подчиненной его части; отпад 31—70% по числу стволов и 26—60% по запасу древесины;
III — сильное повреждение древостоя, его выраженное усыхание. Возможно сохранение жизнедеятельности незначительной части стволов деревьев верхнего яруса после верховых или сильных низовых пожаров. Отпад 71—100% стволов и 61—100% по запасу древесины;
IV — древостой гибнет полностью во время верхового пожара вследствие обгорания крон; отпад по числу стволов и запасу древесины составляет 100%;
V — древостой после пожаров вываливается и представляет собой влажный горельник; отпад 71—100% по числу стволов и 61—100% по запасу древесины [17].
В бассейне р. Норы было исследовано четыре ключевых участка: "Меун" (разрезы НМ-4, -11, -12, -13, они заложены в 2007 г.), "Осетровый" (разрезы НО-14, -15, -16, заложены в 2007 г.), "Антоновский" (разрезы НА-30, -37, -38, заложены в 2006 г., НА-23, -25, -26 — в 2007 г.), "Грящинский" (разрезы НГ-10, -11, -12, -13, -14, -18, -19, заложены в 2006 г., НГ-29, -34 — в 2007 г.). На участке "Чер-винка", расположенном в устье р. Червинка, заложены разрезы НЧ-44, -45, -46 (2007 г.). В нижнем течении р. Бурунды заложены разрезы НБ-8, -9 в 2006 г.; НБ-62, -63, -64, -65, -66 и -67 (участок "Бурундинский") в 2007 г.
Было изучено несколько рядов почв, в каждый из которых вошли почвенные разности, сформировавшиеся в сходных условиях рельефа и растительности, но подвергшиеся воздействию пиро-генного фактора разной интенсивности и в разное время. Эти ряды почв на основе экспертной оценки ранжированы в связи со степенью корректности их составления, т.е. с учетом того, насколько однородны в пределах ряда все условия почвообразования, кроме степени повреждения древостоя. Степень корректности максимальна при значении оценки 1 и минимальна при значении оценки 3 (табл. 1).
Группа рядов почв с оценкой корректности составления, равной 1, характеризуется практически полным совпадением профилей почв внутри ряда. Во второй группе рядов (оценка 2) отмечаются отдельные различия в строении генетических профилей почв, составляющих один ряд. Так, в ряду бурых таежных оподзоленных почв (участок "Червинка") почва фонового разреза (НЧ-66) характе-
Изученные ряды почв
ризуется несколько более тяжелым гранулометрическим составом по сравнению с другими членами ряда, но по другим признакам почвы ряда схожи; коренной древостой на всех участках в пределах ряда также аналогичен. В ряду бурых таежных почв под сосновыми лесами (участок "Бу-рундинский", разрезы НБ-66, -67) одна из почв
Таблица 1 (НБ-67) характеризуется утяжелением гранулометрического состава в нижней части профиля, в остальном почвенные профили этого ряда близки по морфологическим свойствам. В третьей группе рядов (оценка 3) почвенные профили имеют неполное сходство. Так, в ряду бурых таежных глеевых почв под пихтовыми лесами (участок "Меун") в почве фонового разреза (НМ-4) мощность горизонта А1 больше, чем в других почвах, и признаки оглеения выражены в ней отчетливее, хотя эту почву можно отнести к бурым таежным глеевым, как и другие почвы этого ряда. Коренной древостой на фоновом и поврежденном участках также сходный. В ряду бурых таежных почв под березово-лист-венничными с осиной лесами (участок "Бурундинский") наиболее поврежденная почва (НБ-62) характеризуется отор-фованностью горизонта А1, его большей мощностью, а также слабыми признаками оглеения, в отличие от других почв, но по коренному древостою можно считать, что участки весьма сходны.
Образцы из изученных почв были отобраны в трех интервалах глубины: 0—5, 5—15, 15—40 см. Во всех почвах определяли общее содержание гумуса, групповой состав гумуса, магнитную восприимчивость и рН, в некоторых образцах определено содержание полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).
Содержание общего гумуса определялось методом мокрого сжигания по И.В. Тюрину, групповой состав гумуса — по ускоренному методу М.Н. Кононовой и Н.П. Бельчиковой. Значения рН измерялись при соотношении почва : вода = 1 : 2,5 на приборе "Hanna instruments pH 213". Анализ на магнитную восприимчивость проведен на приборе "Magnetic susceptibility balance" (MSB) фирмы "Johnson Matthey fabricated equipment". Содержание ПАУ определялось на спектро-флуориметре "Флюорат-02 Панорама" фирмы "Лю-
Почвы и растительность, участок Фон Степень повреждения древостоя, годы последнего пожара Степень корректности составления ряда
I II III III—IV
Бурые таежные глее-вые под лиственнич-но-березовыми лесами; участок "Антоновский" НА-23 НА-26, 2003 НА-25, 2003 1
Бурые таежные глее-вые под пихтовыми лесами; участок "Меун-Антоновский" НА-23 НМ-6, 2004 НМ-5, 2004 1
Бурые таежные глее-вые под лиственнич-но-березовыми лесами; участок "Грящин-ский" НА-37 НГ-10, 2006 НГ-18, 2006 НГ-19, 2006 1
Бурые таежные опод-золенные под лиственничниками; участок "Червинка" НЧ-46 НЧ-45, 1999 НЧ-44, 1999 2
Бурые таежные каменистые под сосновыми лесами сопок; участок "Грящинский" НА-32 НГ-13; НГ-14, 2002 НГ-11; НГ-12, 2002 1
Бурые таежные каменистые под листвен-нично-березовыми лесами; участок "Осетровый" НО-14, 2003 НО-15, 2003 НО-16, 2003 1
Бурые таежные под сосновыми лесами; участок "Бурундин-ский" НБ-8, 2006 НБ-9, 2001 + 2006 1
Бурые таежные под сосновыми лесами; участок "Бурундин-ский" НБ-67, 2003 НБ-66, 2003 2
Пойменно-болотные под елово-пихтовыми лесами; участок "Антоновский" НА-30 НА-38, 1999 1
Бурые таежные глее-вые под пихтовыми лесами; участок "Меун" НМ-4 НМ-13, 2004 НМ-11, 2004 НМ-12, 2004 3
Бурые таежные под березово-лиственнич-ными с осиной лесами; участок "Бурунда" НБ-64 НБ-65, 2003 НБ-63, 2000 + 2003 НБ-62, 2000 + 2003 + + 2006 3
мэкс методом низкотемпературной спектроскопии Шпольского.
Результаты и их обсуждение. В изученных рядах почв установлены направленные изменения содержания органического углерода. В большинстве случаев в почвах, пройденных огнем, оно увеличивается и коррелирует с интенсивностью пожара (рисунок, а). Так, в ряду бурых таежных глеевых почв, сформированных на террасах р. Нора под ли-ственнично-березовыми лесами (участок "Меун-Антоновский"), в почве фонового участка содержание углерода в верхнем горизонте (0—5 см) составляет около 4,0%, тогда как на этой же глубине в почвах, пройденных пожаром, оно возрастает
Изменение свойств лесных почв под древостоями разной степени повреждения: I, II, III — степень повреждения древостоя; ряды изученных почв: 1 — НА-23, НМ-6, -5; 2 - НЧ-46, -45, -44; 3 — НА-37, НГ-10, -18; 4 — НА-32, НГ-13, -11; 5 — НБ-8, -9; 6 — НМ-4, -13, -12; 7 — НБ-66, -67; 8 — НА-30, -38; 9 — НА-23, -26, -25; а — содержание органического углерода, %; б — отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот; в — значение рН
почти до 6% под древостоем II степени повреждения и 9% под древостоем III степени повреждения. Четкие тренды увеличения рассматриваемого показателя под воздействием пирогенного фактора обнаружены в рядах почв на участках "Чер-винка" и "Грящинский". Здесь количество органического углерода возрастает от 3—5% в фоновых бурых таежных почвах до 9—12% в почвах, пройденных огнем.
Процесс накопления углерода после прохождения пожаров описан в литературе [13, 22, 24, 41]. При пожарах сильной интенсивности это явление может быть связано со сменой одних растительных ассоциаций на другие и увеличением количества органических остатков, поступающих в почву. Например, под травянистой растительностью, которая начинает доминировать на местности после сгорания древостоя, более активно протекает дерновый процесс. Кроме того, в первые годы после пожара накопление углерода происходит в результате ускоренного разложения несгоревших остатков корней. Пирогенное накопление углерода гумуса в почвах может объясняться также изменением в элементном составе продуктов горения. Некоторые исследователи указывали на сгорание азота гумуса [6] и увеличение содержания углерода в продуктах термолиза [18, 33]. При нагревании гумусовых кислот с доступом воздуха установлено, что на первых этапах при сравнительно низкой температуре преобладает потеря кислорода, особенно в фульвокис-лотах, происходит удаление воды и разрушение части неупорядоченных фрагментов молекул, представленных алифатическими цепями. По данным [43], при температуре выше 200°С азот и сера быстро окисляются, а при температуре 500°С большая часть азота улетучивается.
Нами обнаружен и противоположный тренд — уменьшение содержания органического углерода в почвах на гарях. Это проявляется в ряду пойменно-болот-ных почв под елово-пихтовыми лесами, пройденных пожаром в 1999 г. Содержание органического углерода в них после прохождения огня может объясняться сгоранием части торфянистого
материала. В работе [33] также отмечена возможность снижения содержания гумуса при сгорании органического вещества. В литературе существуют количественные оценки потерь почвенного углерода, сгорающего во время пожара на торфяниках. В среднем поступление в атмосферу углерода из торфяных почв в результате пожара составляет 2,2 ± 0,5 кг/м2 [44]. Имеются сведения о том, что в почвах, подвергающихся неоднократному воздействию пожаров, происходит снижение содержания углерода примерно на 25% по сравнению с почвами, развивающимися в отсутствие пожаров [42].
Пожары влияют на групповой состав гумуса почв. Изменения отмечены практически во всех изученных рядах (рисунок, б), но наиболее заметные различия между почвами по показателю Сгк/Сфк были обнаружены в почвах, пройденных самыми интенсивными пожарами. Так, в ряду бурых таежных каменистых почв сопки Острой (участок "Грящинский") верхние горизонты фоновой почвы имеют фульватный состав гумуса, отношение Сгк/Сфк составляет 0,2, в то время как в почвах, пройденных пожарами, это соотношение значительно расширяется и составляет 0,8—1,2. Тенденция к увеличению доли гуминовых кислот после прохождения пожаров наблюдается также в ряду бурых таежных оподзоленных почв (участок "Червинка"). В верхнем горизонте почвы фонового участка соотношение Сгк/Сфк составляет около 1,0. В пиро-генно поврежденных почвах происходит расширение изучаемого отношения до 1,6 в почвах под древостоем II степени повреждения и до 2,4 в наиболее подвергшихся огню почвах (III степень пи-рогенного повреждения). Увеличение доли гумино-вых кислот в почвах, пройденных огнем, выявлено в 8 изученных рядах.
Причины этого явления обусловлены тем, что после пожаров в почве происходит улучшение гидротермических условий [12, 13, 16, 20, 43], т.е. увеличивается температура поверхностного слоя, биологически активная температура проникает на большую глубину, происходит улучшение питательного режима. В результате активизируются биологические процессы и возрастает численность микроорганизмов. С ростом микробиологической активности почв может быть связано уменьшение доли фульвокислот в составе гумуса, так как они более доступны микроорганизмам, чем негидролизуемые или трудногидролизуемые компоненты гуминовых кислот [19].
В то же время очень сильные пожары, приводящие к прокаливанию почвы, действуют негативно на микробиологическую активность почв. Это подтверждается данными Н.Д. Сорокина [31], которые показывают, что сильный огонь является причиной существенных изменений в составе микробных комплексов и угнетает жизнедеятельность некоторых групп микроорганизмов.
Следует отметить, что большая часть полученных в ходе наших исследований результатов, указывающих на определенную связь состава гумуса с пирогенным фактором, расходится с немногочисленными литературными данными. Так, А.Б. Гы-ниновой с соавторами [6] было отмечено уменьшение отношения Сгк/Сфк в поверхностном горизонте почв при воздействии на них огня, что эти авторы объясняют развитием грибного мицелия после пожара в нижней части пирогенного горизонта.
По нашим данным, пирогенный фактор влияет на магнитную восприимчивость почв, но только в случае самых сильных пожаров. Так, в изученных бурых таежных глеевых почвах под листвен-нично-березовыми лесами (участок "Грящинский"), в наибольшей степени пострадавших от огня, магнитная восприимчивость в верхних горизонтах достигала 15 • 10-6 см3/г, что почти в 3 раза превышало эту характеристику в почвах под древосто-ями меньшей степени пирогенного повреждения (6 • 10-6 см3/г). В другом ряду — бурых таежных оподзоленных почв (участок "Червинка") — фоновая почва характеризовалась значениями магнитной восприимчивости около 6^9 • 10-6 см3/г. В почве, испытавшей умеренное воздействие огня, эти значения возрастали до 10 • 10-6 см3/г, а в почве под лесной растительностью, характеризующейся III степенью пирогенного повреждения, значения магнитной восприимчивости достигали 13 • 10-6 см3/г.
В условиях лесных пожаров под воздействием высокой температуры происходит ускоренный синтез сильных магнетиков (магнетита и маггемита), восстановление оксидов и гидроксидов железа, их дегидратация и кристаллизация, следствием чего становится переход слабомагнитных соединений в сильномагнитные.
Некоторые авторы [2, 14, 15, 26] отмечали, что наиболее высокими значениями магнитной восприимчивости обладают частицы илистой фракции, что связано с наличием в ней химически неустойчивого высокодисперсного магнетита, образовавшегося в гумусированных горизонтах почв в результате почвообразовательного процесса. По данным В.Г. Тарабукиной и др. [33], после пожаров в почвах увеличивается содержание мелких фракций и уменьшается содержание крупных. Поэтому выявленная нами тенденция к увеличению магнитной восприимчивости почв, пройденных пожаром, возможно, частично связана с этим явлением. При этом нами не подтверждаются имеющиеся в литературе указания на пирогенное возрастание магнитной восприимчивости почв в десятки раз [3, 4, 27].
Лесные пожары влияют и на кислотно-основное состояние почв. Пирогенные изменения рН отмечены во многих изученных рядах, но в наибольшей степени они заметны в почвах, пройденных
самыми интенсивными пожарами (рисунок, в). Так, фоновая почва на участке "Антоновский" имеет кислую реакцию по всему профилю, величина рН в ней не превышает 4. Пройденные лесным пожаром почвы этого ряда характеризуются последовательным увеличением рН в верхних горизонтах по мере повышения степени их повреждения до значений, превышающих 5. Подобная тенденция отмечена в ряду бурых таежных оподзоленных почв под лиственничными лесами (участок "Чер-винка"). После пожара рН наиболее пострадавших почв возрастает на 1—1,5 по сравнению с почвой фона. Такая же направленность изменений кислотно-основных свойств выявлена в 6 изученных рядах почв. Вероятнее всего, это вызвано нейтрализацией органических кислот щелочноземельными элементами, освобождающимися из золы растений. Зависимость величины рН от интенсивности пожара находит подтверждение и в литературных данных. Ряд авторов [6, 12, 21, 22, 33] отмечают, что пожары сильной интенсивности из-за большего выхода золы более полно нейтрализуют органические кислоты, чем слабые пожары. Нами обнаружено также, что в некоторых почвах более старых гарей значения рН вновь становятся близкими к фоновым. Так, в пойменно-болотной почве под елово-пихтовым лесом, пострадавшей от пожара в 1999 г. (участок "Антоновский"), существенных изменений величины рН по сравнению с фоновым участком не выявлено.
Быстрота процесса восстановления фоновых значений рН в почвах гарей объясняется в гумид-ных условиях выносом растворимых компонентов золы с дождевыми и талыми водами, а также новым поступлением кислых продуктов с растительным опадом [8, 9, 12, 22].
В двух изученных рядах почв было обнаружено явление, противоположное вышеописанным. В бурых таежных поверхностно-каменистых почвах сопок проявились признаки пирогенного снижения рН (участок "Грящинский"). В почве фонового участка величина рН приповерхностного горизонта приближается к 6 и убывает на глубине 5—15 см почти до 4. В почвах, приуроченных к древостоям II и III степени повреждения, величина рН уменьшается в самых верхних горизонтах профиля до 4—5. Пирогенное снижение рН на 1—1,5 в данном случае можно объяснить существенной интенсификацией выноса щелочноземельных элементов из легко водопроницаемых каменистых почв в условиях повреждения и деградации древесной растительности. По данным А.П. Са-пожникова [28—30], в элювиальных ландшафтах даже незначительное прогорание подстилки существенно усиливает процессы выщелачивания продуктов разложения.
Согласно существующим представлениям, при сгорании древесины во время лесных пожаров могут образовываться полициклические ароматические
углеводороды — высокотоксичные канцерогенные и мутагенные поллютанты. Лесные пожары всегда упоминаются при обсуждении возможных источников и путей поступления ПАУ в биосферу. В основном ПАУ синтезируются при высоких значениях температуры, превышающих 500°С, однако считается, что образование ПАУ в ходе пиролиза древесины протекает по ионному механизму, не требующему очень высокой температуры [5, 25]. В то же время в научной литературе практически не содержится конкретных сведений о содержании ПАУ в почвах, пройденных пожарами.
Для изучения возможного присутствия поли-аренов в пирогенных почвах нами исследован ряд бурых таежных глеевых почв под пихтовыми лесами, пройденными пожаром в 2003 г. (участок "Меун"); ПАУ были определены на глубине 0—2 и 0—5 см (табл. 2).
Таблица 2
Содержание ПАУ в изученных почвах, нг/г
Соединение НМ-4, фон Степень повреждения древостоя
НМ-13, I степень НМ-1, II степень НМ-2, III степень
0—2 0—5 0—2 0—5 0—2 0—5 0—2
Флуорен 4,4 0 1,8 0,3 0 0 0
Дифенил 16,9 9,1 16,6 10,8 0 0,4 0
Гомологи нафталина 43,0 30,0 17,2 17,2 19,7 27,3 19,0
Фенантрен 0 2085,1 5,3 12,9 0 20,1 4,6
Антрацен 0 0 0 0 0 0 0
Тетрафен 0,5 0,1 0,1 0,5 0,2 0,2 0,2
1,12-БПЛ 2,4 0,1 0 0 0 0 0
Перилен 0 0 0 0 0 0 0,2
Хризен 0,90 0 76,0 0 0,3 0 0
Пирен 1,7 0,3 0 0,6 1,0 0 0
Гомологи пирена 0 0,4 0,3 0,6 1,1 1,3 0,2
3,4-БП 0 6,57 0 0 0 0 0
Обнаружено, что в почве фонового участка (НМ-4) присутствуют такие соединения, как дифе-нил, гомологи нафталина, фенантрен, тетрафен, пирен, его гомологи, 1,12-бензперилен. На глубине 0—5 см обнаружен 3,4-бензипирен, его содержание составляет 6,6 нг/г. В почвах изученного ряда отмечается снижение абсолютного содержания ПАУ по мере усиления интенсивности пиро-генного повреждения древостоя, а также уменьшается их разнообразие.
Флуорен и дифенил обнаружены в фоновой почве, а также в наименее пострадавшей от пожара почве (разрез НМ-13). В почвах, испытавших более сильное воздействие огня, они практически
не обнаруживаются (НМ-13, -12). Гомологи нафталина присутствуют во всех почвах, при этом в почве фонового участка их содержание составляет 43,0 нг/г на глубине 0—2 см и 29,9 нг/г на глубине 0—5 см. В почвах, пройденных огнем, содержание этих углеводородов существенно уменьшается — до 17 и 27 нг/г соответственно.
Почва фонового участка характеризуется высоким содержанием фенантрена, на глубине 0—5 см его концентрация составляет 2085 нг/г, при этом на глубине 0—2 см он не обнаружен. В почве с I степенью повреждения древостоя (разрез НМ-13) это значение резко снижается до 13 нг/г на глубине 0—5 см и до 5 нг/г на глубине 0—2 см. В почве под лесом II степени пирогенного повреждения (разрез НМ-11) фенантрен обнаружен только на глубине 0—5 см, его содержание здесь значительно ниже фонового — 20 нг/г. В наиболее пострадавшей от огня почве (НМ-12) отмечается очень низкое содержание фенантрена: на глубине 0—2 см оно составляет 4,63 нг/г. Антрацен в образцах почв этого ряда обнаружен не был.
Тетрафен выявлен в предельно малых количествах во всех изученных образцах (от 0,1 до 0,5 нг/г). Прямой зависимости его содержания от интенсивности пожара не отмечается; 1,12-бензперилен был найден только в фоновой почве, его концентрация варьирует в пределах от 2 до 0,п нг/г, в других почвах он не выявлен. Перилен содержится, напротив, лишь в наиболее подвергшейся пожару почве (разрез НМ-12), но его ничтожно мало — 0,2 нг/г. Установлено относительно высокое содержание хризена в почве (разрез НМ-13, I степень повреждения древостоя) — на глубине 0—2 см ~ 75 нг/г, но в других образцах почв его содержание было очень низким (< 1,0 нг/г).
Незначительное количество пирена (< 2 нг/г) выявлено в почве фонового участка и в почвах под древостоем, испытавшим повреждения I и II степени. В почвах, пройденных наиболее сильным огнем, он не обнаружен. Четкой закономерности в распределении незначительных количеств гомологов пирена не выявлено; 3,4-бензапирен найден только в почве фонового участка на глубине 0—5 см (~ 7 нг/г), в других образцах почв исследованного ряда он не обнаружен.
Некоторые исследователи [40] предлагают использовать отношение флуорантена к пирену как индикатор пирогенного происхождения ПАУ (сжигание горючих ископаемых или древесины), однако численные значения этого соотношения не приводятся. Ф.Я. Ровинский с соавторами [25] также считал возможным использовать некоторые соотношения индивидуальных ПАУ для определения их источника. Согласно этому предложению, в продуктах сжигания древесины отношение фенантрен/ан-трацен должно быть около 3. В изученных нами почвах антрацен не обнаружен вообще, поэтому
разработка подобных отношений требует более детальных исследований.
В целом наши результаты показали, что для большинства ПАУ их содержание в почвах либо не имеет четкой корреляции с интенсивностью пожара, либо даже снижается по мере усиления произошедшего пожара. Установлено, что почвы фонового участка характеризуются большим количеством и разнообразием углеводородов по сравнению с почвами, пройденными пожарами. Это явление, безусловно, требует объяснения. Возможно, это связано с тем, что при пожарах создаются мощные восходящие потоки нагретого воздуха, которые в виде аэрозолей увлекают вверх образующиеся углеводороды и переносят их на некоторое расстояние, после чего ПАУ выпадают на земную поверхность, в том числе на участки, где находятся фоновые почвы. Для исследования этого процесса необходимы дополнительные работы, при которых следует учитывать не только характер повреждения древостоя, но и скорость и направление ветра во время лесного пожара, а также собирать атмосферные осадки.
Заключение. Основные выводы о влиянии пожаров на свойства лесных почв Приамурья (на примере Норского заповедника) заключаются в следующем.
В почвах, подвергшихся пожару, как правило, возрастает содержание органического углерода. Наибольшее его количество отмечается в почвах, пройденных пожаром максимальной интенсивности. В почвах более старых гарей различия сглаживаются. Накопление органического углерода в почвах, пройденных пожаром, может быть обусловлено несколькими причинами: а) сменой древесной растительности на травянистую и развитием дернового процесса; б) ускоренным разложением не сгоревших остатков корней; в) изменением элементного состава продуктов горения, так как при высокой температуре в органическом веществе происходит потеря кислорода, водорода, азота и относительное накопление углерода. В почвах крутых склонов при воздействии пожара содержание органического углерода снижается, что связано с активизацией водного стока. В торфянистых почвах из-за сгорания части органического материала содержание углерода также может уменьшаться.
При воздействии пирогенного фактора в почвах происходит изменение группового состава гумуса. Как правило, отношение Сгк/Сфк возрастает, особенно в почвах, пройденных самыми интенсивными пожарами. Это вызвано улучшением гидротермических условий и повышением микробиологической активности.
Пирогенный фактор влияет также на магнитную восприимчивость почв. При этом ее заметное увеличение обнаружено прежде всего в почвах, подвергшихся пожарам наибольшей интенсивности, при которых синтезируются сильные магнетики, и в результате восстановления оксидов и
гидроксидов или их кристаллизации происходит переход слабомагнитных соединений в сильномагнитные.
В почвах, пройденных сильными пожарами, увеличиваются значения рН поверхностных горизонтов из-за нейтрализации органических кислот щелочноземельными элементами, содержащимися в золе. При этом другая тенденция обнаруживается в почвах сопок — в них реакция верхних горизонтов почв, пройденных огнем, более кислая по сравнению с фоном, что объясняется активизацией поверхностного стока после пожара и выносом зольных элементов со склонов.
Обнаружено, что концентрация полициклических ароматических углеводородов, являющихся про-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арефьева З.Н., Колесников Б.П. Динамика аммиачного и нитратного азота в лесных почвах Зауралья при высоких и низких температурах // Почвоведение. 1964. № 3. С. 30—43.
2. Бабанин В.Ф. Зависимость магнитной восприимчивости почв от условий прокаливания // Биол. науки. 1974. № 7. С. 118—122.
3. Бабанин В.Ф. Магнитная восприимчивость основных почвенных типов СССР и использование ее в почвенных исследованиях: Автореф. канд. дис. М., 1972.
4. Бабанин В.Ф., Трухин В.И., Карпачевский Л.О. и др. Магнетизм почв. Ярославль: ЯГТУ, 1995.
5. Геннадиев А.Н., Пиковский Ю.И., Флоровская В.Н. и др. Геохимия полициклических ароматических углеводородов в горных породах и почвах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1996.
6. Гынинова А.Б., Сымпилова Д.П. Изменение свойств дерново-лесных почв под влиянием пожаров // Почвы Сибири, их использование и охрана. Новосибирск: Наука, 1999. С. 120—124.
7. Евдокименко М.Д. Послепожарная динамика микроклимата и гидротермического режима мерзлотных почв в лиственничниках Станового хребта // Сибирский экол. журн. 1996. Т. 3, № 1. С. 73 —79.
8. Зайдельман Ф.Р., Банников М.В., Шваров А.П. Структура и экологическая оценка пирогенных образований на сгоревших осушенных торфяных почвах // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1998. № 2. С. 26—31.
9. Зайдельман Ф.Р., Морозова Д.И., Шваров А.П. Изменение свойств пирогенных образований и растительности на сгоревших осушенных торфяных почвах полесий // Почвоведение. 2003. № 11. С. 1300—1309.
10. Иванов Г.И. Классификация почв равнин Приморья и Приамурья. Владивосток: Дальневосточное книж. изд-во, 1966.
11. Карпель Б.А., Короходкина В.Г. Изменение почвенных условий после пожаров // Лесные пожары в Якутии и их влияние на природу леса. Новосибирск: Наука, 1979. С. 75—87.
12. Краснощеков Ю.Н. Влияние пожаров на свойства горных дерново-таежных почв лиственничников Монголии // Почвоведение. 1994. № 9. С. 102—109.
дуктами пиролиза древесины, выше на прилегающих к гарям почвах, чем на самих гарях, что может быть связано с переносом этих соединений восходящими токами теплого воздуха.
В целом направленность изменений ряда свойств почв, таких как групповой состав гумуса, магнитная восприимчивость и др., изучена весьма слабо и требует разработки новых подходов. Дальнейшее изучение воздействия пирогенного фактора на свойства почв имеет большое теоретическое и практическое значение, особенно для оптимизации управления лесным хозяйством и разработки научных принципов оценки состояния и восстановления лесных насаждений, пройденных огнем.
13. Краснощекое Ю.Н., Сорокин Н.Д. Почвенно-эко-логические изменения на вырубках и гарях Восточного Хэнтея (МНР) // Там же. 1988. № 1. С. 117-127.
14. Лукшин A.A., Иеаноеа Т.П., Обыденоеа Л.А. Влияние илистой фракции на величину магнитной восприимчивости почв // Агротехника и биологические основы урожайности культур / Тр. Ижевского и Кировского сельскохозяйственных институтов. Кировск, 1978. Т. 59. С. 144-148.
15. Лукшин A.A., Румянцееа Т.И., Коериго В.П. Магнитная восприимчивость фракций механических элементов почв // Вопросы почвоведения и применения удобрений в Удмуртской АССР / Тр. Ижевского сельскохозяйственного института. Ижевск, 1974. Вып. 23. С. 131-138.
16. Матееее П.М., Матееее A.M. Лесная пирология. Красноярск: СибГТУ, 2002.
17. Мажитоеа Г.Г. Пирогенная динамика мерзлотных почв Колымского нагорья // Почвоведение. 2000. № 5. С. 619-629.
18. Орлое Д.С. Гумусовые кислоты почв. М.: Изд-во МГУ, 1974.
19. Орлое Д.С, Бирюкоеа О.Н., Суханоеа Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996.
20. Попоеа Э.П. Влияние низовых пожаров на свойства лесных почв Приангарья // Охрана лесных ресурсов Сибири. Красноярск: Ин-т леса и древесины им. В.Н. Сукачева, 1975. С. 166-178.
21. Попоеа Э.П. Влияние пожаров на пестроту почвенного покрова в сосновых насаждениях // Почвы сосновых лесов Сибири. Красноярск: Ин-т леса и древесины им. В.Н. Сукачева, 1976. С. 63—70.
22. Попоеа Э.П. Пирогенная трансформация свойств лесных почв Среднего Приангарья // Сибирский экол. журн. 1997. Т. 4, № 4. С. 413—418.
23. Пшеничникое Б.Ф., Пшеничникоеа Н.Ф. Генезис и эволюция приокеанических буроземов. Владивосток: Изд-во Дальневосточного университета, 2002.
24. Пшеничникоеа Н.Ф, Пшеничникое Б.Ф. Роль пи-рогенного фактора в формировании горно-лесных почв Приморья // Генезис и биология почв юга Дальнего Востока. Владивосток: РАН, 1994. С. 58—61.
25. Ровинский Ф.Я., Теплицкая Т.А., Алексеева Т.А. Фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
26. Румянцева Т.И. Магнитная восприимчивость почв Удмуртской АССР: Автореф. канд. дис. М., 1971.
27. Румянцева Т.И, Лукшин А.А, Ковриго В.П. Магнитная восприимчивость основных почвенных зон СССР // Свойства почв и рациональное использование удобрений. Пермь: СХИ им. Д.Н. Прянишникова, 1986. С. 67-71.
28. Сапожнков А.П. О некоторых аспектах геохимии пирогенных систем // Типологические аспекты поведения веществ в геосистемах. Иркутск, 1973. С. 208—209.
29. Сапожников А.П. Роль огня в формировании лесных почв // Экология. 1976. № 1. С. 42—46.
30. Сапожников А.П. Современные отечественные и зарубежные тенденции изучения пирогенеза почв мерзлотной зоны // География и природные ресурсы. 1982. № 1. С. 88—94.
31. Сорокин Н.Д. Влияние лесных пожаров на биологическую активность почв// Лесоведение. 1983. № 4. C. 24—27.
32. Тарабукина В.Г. Пирогенез и его влияние на экологическое состояние почв северной тайги // Прикладная экология севера: опыт проведения исследований. Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003. С. 174—177.
33. Тарабукина В.Т., Саввинов Д.Д. Влияние пожаров на мерзлотные почвы. Новосибирск: Наука, 1990.
34. Усеня В.В., Шевцова Л.В., Ласута Г.В. Влияние торфяных пожаров на плодородие почвы сосновых насаждений // Тр. Ин-та леса Национальной академии наук Беларуси. Вып. 52. Минск, 2001. С. 203—209.
35. Фирсова В.П. Влияние рубок леса и огневой очистки лесосек на содержание и динамику водораст-
воримых веществ в дерново-подзолистых почвах Зауралья // Почвоведение. 1965. № 6. C. 32—40.
36. Цибарт А. С, Геннадиев А.Н. Влияние пожаров на свойства лесных почв Приамурья (Норский заповедник) // Там же. 2008. № 7. С. 783—793.
37. Чевычелов А.П. Пирогенез и зональное таежное континентальное автоморфное почвообразование на северо-востоке Азии (на примере Южной Якутии): Автореф. докт. дис. Новосибирск, 1997.
38. Чевычелов А.П. Пирогенез и постпирогенные трансформации свойств и состава мерзлотных почв // Сибирский экол. журн. 2002. № 3. С. 273—277.
39. Чевычелов А.П. Чувствительность и устойчивость мерзлотных почв к внешним воздействиям в связи с влиянием пирогенеза // Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям. М.: Почв. ин-т им. Докучаева, 2002. С. 418—419.
40. Dreyer A., Radke M., Turunen J., Blodau C. Long-term change of aromatic hydrocarbon deposition to peat-lands of eastern Canada // Environ. Sc. & Technology. 2005. Vol. 39, N 11. P. 3918—3924.
41. Fernandez I., Cabaneiro A, Carballas T. Carbon mineralization in soils after wildfires in two Galician forests // Soil Biol. Biochem. 1999. Vol. 31, N 13. P. 1853—1865.
42. Liski J., Ilvesniemi H., Makela A, Starr M. Model analysis of the effects of soil age, fires and harvesting on the carbon storage of boreal forest soils // Europ. J. Soil Sc. 1998. Vol. 49, N 3. P. 407—416.
43. Poff R.J. Effects of silvicultural practices and wildfire on productivity of forest soils. Sierra Nevada Ecosystem Project: Final report to congress. 1999. Vol. 2. Ch. 16. P. 477—495.
44. Turetsky M.R., Wieder R.K. A direct approach to quantifying organic matter lost as result of peatland wildfire // Can. J. of forest res. 2001. Vol. 31, N 2. P. 363—366.
Поступила в редакцию 01.10.2008
A.S. Tsybart, A.N. Gennadiev
TREND OF FOREST SOILS TRANSFORMATION UNDER THE INFLUENCE OF PYROGENIC FACTOR IN THE AMUR RIVER REGION
Principal features of pyrogenic transformation of soil propertieis have been studied for several soil series within the Norsky nature reserve territory in the Amur River region which underwent different impacts of forest fires. Generally these soils show higher concentrations of organic carbon, wider ratio of Chum/Cful, increased magnetic sensitivity and lower acidity. The exception is for the soils of steep stony slopes showing lower humus content and decreased pH values because of more intensive soil washing and for peat soils where part of organic matter simply burns off. Concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons, i.e. the products of wood burning, are higher in the soils of adjacent areas as compared with the burnt areas themselves, probably because of their transfer by the upstream flows of hot air.
Key words: forest fires, soil properties, polycyclic aromatic hydrocarbons, the Amur River region.
