CC BY
9Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2012. Вып. 6. С. 257-263. УДК 631.445.124:662.730:631.423.4:631.415.1
особливост1 к1льк1сних зм1н водорозчинно1
органично! речовини в болотних едафотопах
верхньодн1стерського передкарпаття внасл1док торф'яних пожеж
Партика Т. В.1, Гамкало З. Г.1, Бедертчек Т. Ю.2
lЛьвiвський нащональний утверситет м. 1вана Франка, Львiв, tetyana.partyka@gmail.com, zenon.hamkalo@gmail.com
21нститут агроекологп i природокористування НААН Украши, Кшв, bedernichek@gmail.com
Розглянуто вплив торф'яно! пожежi на BMicT водорозчинно! оргашчно! речовини (ВОР) та актуальну кислотнiсть низинних торфовищ. Внaслiдок пожежi вмiст фракцш ВОР зменшився у шaрi торфу 0-25 см., причому, нaйбiльшi змши вiдбулися у верхнш 10-см товщ1, де вмiст екстрагованих холодною водою (20°С) оргaнiчних речовин зменшився у 2,5 рази, а гарячою (80°С) - майже в 4 рази, поршняно до непорушеного торфовища. Ц змши супроводжувались збiльшенням рН вщ 4,1 до 6,5 од. у вермш торфу 0-5 см й ввд 4,5 до 5,2 на глибиш 20-25 см.
Ключовi слова: водорозчинна оргaнiчнa речовина, торфовище низинне, болотний едафотоп, торф'яна пожежа, глобальне потеплшня.
ВСТУП
За даними Мiжнaродноl групи експертiв з питань змши ктмату середня температура приповерхневих шaрiв атмосфери Землi з 1861 року зросла бшьш, нiж на 0,5°С, а починаючи з 80-х роюв минулого столiття пiдвищення температуря досягло темшв безпрецедентних для голоцену [11]. За повщомленням Всесвггньо! метеоролопчно! оргашзацп 1998, 2005 та 2010 роки по черзi визнавались найтеплшими за iсторiю метеорологiчних спостережень [19].
Аномально висок температури й незначна кшьюсть опaдiв створили сприятливi умови для масового поширення природних пожеж, серед яких значну екологiчну небезпеку становлять торф'яш пожежi, особливо в контекст глобальних змiн клiмaту. Це пов'язано з тим, що у склaдi надземно! фiтомaси Карбон депонуеться вiд кiлькох до ста i бiльше рокiв, а торфовища е значно тривaлiшим резервуаром Карбону, де вш утримуеться багато тисяч роюв. Горiння торфу призводить до раптового розкриття цього резервуару Сорг i перетворюе торфовища з депо Карбону на потужне джерело його емюп у формi парникового газу - СО2 [9].
За статистичними даними про надзвичайш ситуацп в Укра!ш за три квартали 2010 року (1-9 мюящ року) вiдбулося 49436 пожеж, в тому чи^ на торфовищах -153 [10]. За оперативною шформащею МНС Укра!ни тшьки у третiй декaдi липня 2010 р. на Лiвобережжi (на Луганщиш з 19 липня), в Черкаськш, Кiровогрaдськiй, Микола!вськш областях та в Криму протягом 1-13 дшв спостерталась надзвичайна пожежна небезпека (5 класу), що призвело до загоряння люових мaсивiв та степу. 26-28 серпня було зафшсовано три нaдзвичaйнi ситуацп (НС), пов'язaнi iз
2012 Ekosistemy, ikh Optimizatziya i Okhrana, 6: 257-263.
Published by V. I. Vernadskiy Taurida National University, Simferopol, Ukraine.
пожежами в природних екосистемах - двi у Луганськш та одна у Донецькш областях. За ощнками експертiв, у серпш 2010 року збитки внаслщок НС природного характеру орieнтовно становили близько 22 млн. гривень.
Переважно, торфи займаються внаслiдок поширення низових пожеж. Як i у випадку останнiх, найчастiшою причиною 1хнього займання е необережне поводження з вогнем або тдпал, а також розряд блискавки чи самозагоряння, яке може настати при температурi вище 50°С. До речi, поверхня грунту у середнш смузi може нагрiватися до 52-54°С.
Глибина горiння торфу суттево вiдрiзняеться залежно вiд конкретних пдрометеоролопчних умов, але, зазвичай, впродовж одного сезону торфовища не прогорають глибше, нiж на 1 м. Граничною нижньою межею поширення пожежi е глибина залягання шдземних вод. Проте, часто, вогонь охоплюе лише верхш 10-25 см торфового грунту, оскшьки нижнi верстви можуть мiстити значну кшьюсть вологи [8].
У зв'язку з торф'яними пожежами важливо кшьюсно i якiсно оцiнити саме лабшьний компонент оргашчно1 частини торфу, який iнiцiалiзуе процес горiння, зокрема водорозчинш органiчнi речовини (ВОР). Не зважаючи на те, що 1хшй вмют зазвичай не перевищуе 2-4% вщ валового вмiсту Сорг, вони, як легкоокиснюваш субстрати, найiмовiрнiше е стартерами процесу хiмiчного i бiохiмiчного окиснення торфово! маси. З iншого боку, кшькюш та якiснi характеристики ВОР мають суттевий вплив на рiзнi компоненти функцiонування болотних бiогеоценозiв та на iншi системи вищих ранпв - вiд атмосфери (продукування парникових газiв) до гiдросфери (якiсть води). Встановлено, що в грунтовi води в процесi розкладу оргашчно1 речовини торфу надходять значнi маси нират1в, якi зумовлюють евтрофiкацiю водотокiв i водоймищ [4]. Генеза едафотопу i його хiмiчний склад, потоки поживних елементiв, металiв та ксенобiотикiв також залежать вщ вмiсту у ньому водорозчинних оргашчних речовин [3, 7, 15, 17].
Необхщнють вивчення ВОР у болотних едафотопах також пов'язана з тим, що щ сполуки е джерелом мiнералiзацiйних процешв ^ вiдповiдно, емюп парникових газiв та енерго-речовинним субстратом для росту й розвитку грунтових мiкроорганiзмiв [12, 16], як забезпечують перебiг бiохiмiчних i бiогеохiмiчних процесiв на цьому екосистемному рiвнi. Варто врахувати й те, що достатнш вмiст доступного легкоокиснюваного оргашчного субстрату i сприятливi гiдротермiчнi умови можуть активiзувати життедiяльнiсть мiкроорганiзмiв-термофiлiв, що може спричиняти саморозiгрiвання торфу до температури 60-65°С [1]. Це суттево тдвищуе ризик виникнення торф'яних пожеж, як стади розвитку пожеж низових, ^ в окремих випадках, забезпечуе самозаймання торфу. Крiм того, вмют водорозчинних оргашчних сполук може бути шдикатором розвитку процешв постшрогенного вiдновлення порушених болотних едафотопiв.
МАТЕР1АЛ I МЕТОДИ
Об'ектом дослiджень обрано едафотопи болотних екосистем, а саме територда Великих Днютерських болiт. За даними палеогеографiчних дослiджень на 1хньому мiсцi в епоху середнього голоцену було велике озеро i саме його, на думку
Я. Гудовсю i Ю. Нестерука, згадуе Геродот у сво! працi «Iсторiя» як можливий випк Днiстра [2].
Модельнi дiлянки розташовано поблизу сiл Чайковичi та Велика Бшина Самбiрського району Львiвсько! обласп в межах Верхньоднютерсько! низовини. Контрольна дшянка закладена на низинному середньоглибокому осоково-очеретяному торфовищi на алювiальних вiдкладах з природним рослинним покривом iз очерету звичайного (Phragmites australis Ь). Дослiдна дiлянка закладена на сумiжнiй територи з аналогiчним едафотопом. Рослинний покрив на нш був знищений внаслiдок низово! пожежi за 45 дшв до вiдбору зразюв; вона ж стала причиною виникнення слабко! торф'яно! пожежi, за яко! торф прогорiв на глибину до 10-13 см.
Зразки торфу вщбирали у п'ятиразовш повторностi до глибини 25 см через кожш 5 см. Для кшькюно! оцiнки водорозчинно! оргашчно! речовини грунту застосовували методичний шдхщ, запропонований А. ОЬаш [13], який передбачае двоступеневу екстракщю ВОР при температурах 20 i 80°С. На першому етапi вiдбуваеться видшення фракцi! екстраговано! холодною водою оргашчно! речовини (ЕХВОР), на другому етат iз того ж зразка впродовж 16 годин при температурi 80°С видiляють фракцiю екстраговано! гарячою водою оргашчно! речовини (ЕГВОР). Визначення рН проводили потенщометрично у водно-грунтових суспензiях (розведення 1: 2,5). Статистичне опрацювання отриманих результатiв здiйснювали у програмi М8 Ехсе1 2007 з надбудовою А11е81а1 12.0.5.
РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОБГОВОРЕННЯ
Болотний едафотоп з непорушеним рослинним покривом (контрольна дшянка) характеризуеться незначними профшьними змшами вмiсту ЕХВОР. Зокрема, вмют Карбону органiчних сполук за холодного екстрагування (С-ЕХВОР) у верста 0-5 см коливався вщ 1,27 до 1,48 мг-г-1, а на глибиш 20-25 см - 1,15-1,39 мг-г-1 (рис. 1).
Ирогенна трансформащя цього едафотопу спричинила зменшення вмюту ЕХВОР за дослiджуваним профiлем. Найiстотнiшi змiни вiдбулись у 0-5 см i 5-10 см верствах торфу, зокрема вмют екстрагованого холодною водою Сорг зменшився у поверхневш верста до 0,50-0,71 мг-г-1, або у 2,5 рази порiвняно з контролем. Нижче за профiлем, вмiст ЕХВОР поступово збшьшувався до 0,95-1,14 мг-г-1 на глибиш 20-25 см, але залишився в 1,3 меншим, шж у контролi.
Архiтектонiка профiльних змш вмiсту ЕГВОР подiбна до описаних вище змiн ЕХВОР, але вiдрiзняеться кiлькiсними параметрами (рис. 2). За даними М. уоп Lutzow [18], вмют ЕГВОР може перевищувати вмют ЕХВОР до 18 разiв, оскшьки iз збiльшенням температури екстрагенту суттево зростае кiлькiсть екстраговано! органiчно! речовини. Натомють, у дослiджених нами едафотопах, збшьшення температури екстракцi! на 60°С (вiд 20 до 80°С) мало значно слабший ефект: на контрольнш дiлянцi вмiст ЕГВОР у торфi перевищував ЕХВОР у 4,4-6,7, а на дослщнш (пiсля пожеж1) - в 3,8-4,0 рази. Таю вщмшносп вмютв ЕГВОР i ЕХВОР пов'язаш з якiсно-кiлькiсними особливостями органiчно! речовини рiзних за генезою грунтiв, зокрема розмiрами !! лабiльного пулу.
Вмют Сорг, мг-г 1
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
□ Контрольна длянка □ Дослщна длянка
Рис. 1. Профшьш змши вмiсту екстрагованих холодною водою оргашчних сполук (ЕХВОР) внаслщок торф'яно1 пожежi
Вмiст Сорг, мг-г 1
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00
□ Контрольна длянка □ Дослщна длянка
Рис. 2. Профшьш змши вмюту екстрагованих гарячою водою оргашчних сполук (ЕГВОР) внаслщок торф'яно1 пожеж1
Щодо профшьних змш С-ЕГВОР, то у контролi !! вмiст практично не змшювався до глибини 10-15 см, коливаючись у межах 7,61-8,70 мг-г-1. Нижче за профшем (15-20 см), вмют екстрагованих гарячою водою оргашчних речовин торфу зменшуеться до 7,16-7,76, а у верста 20-25 см - 5,47-5,91 мг-г-1.
Вужчий дiaпaзон змш у межах шрогенно-трансформованого субстрату може бути пояснений специфшою антропогенного впливу, оскшьки внaслiдок торф'яно!' пожежi (торф прогорiв до глибини 10-13 см) температура у замкнутому об'емi осередку горшня може сягати до 700 °С, а процес горiння продовжуеться нaвiть тодi, коли волопсть торфу перевищуе 100% [8]. За таких умов вщбуваеться штенсившша екстрaкцiя оргaнiчних сполук in situ гарячою рщкою фазою торфу або водяною парою, що утворюеться у торфь У верствах торфу, як зазнали безпосереднього впливу вогню - щ оргaнiчнi сполуки згорають. У сумiжних шарах - екстрагуються та мобшзуються, за винятком цукрiв, що кaрaмелiзуються i здaтнi накопичуються у профш едафотопу. Також, внaслiдок впливу високо! температури оргaнiчнa речовина торфу перетворюеться у «троморфний гумус» -трансформоваш високомолекулярнi речовини з слабкими коло!дними властивостями, якi важко шддаються водному гiдролiзу i характеризуються тдвищеною стiйкiстю до бюлопчно! деградацп [14].
Крiм змiн вмiсту лaбiльних фракцш оргашчно! речовини, важливим iндикaтором, що дозволяе оцшити ступiнь трогенно! трансформованост едафотопу, е реaкцiя середовища. Внаслщок горiння торфу вивiльняеться значна кшьюсть солей лужних та лужно-земельних елеменив i, особливо, кaлiй карбонат [5, 6]. Саме тому, шрогенно-трансформованим торфам влaстивi вищi значення рН, порiвняно з непорушеними, що не зазнали впливу вогню, а за показником змш актуально! кислотносп можна визначити глибину поширення пожежi.
Як видно iз наведених у табл. 1. даних, нaйбiльшi змiни рН у бш пiдлуговувaння приуроченi до верхньо! 15-см товщi грунту i, особливо, верстви 510 см. В нш концентрaцiя протонiв (Н+) зменшилась на 154,33 мкмоль-л-1 або на 2,19 одинищ рН, порiвняно з непорушеним едафотопом.
Таблиця 1
Профшьш змiни кислотностi торфу внaслiдок трогенезу (за медiaнaми, n=5)
Глибина, см Контрольна дшянка Дослвдна дшянка А С (Н+), мкмоль-л-1 А рН
рНп20 С (Н+), мкмоль-л 1 рНН20 С (Н+), мкмоль-л 1
0-5 4,13 74,13 6,5 0,32 73,81 1,87
5-10 3,81 154,88 6,26 0,55 154,33 2,19
10-15 4,02 95,50 5,96 1,10 94,40 1,97
15-20 4,32 47,86 5,95 1,12 46,74 1,67
20-25 4,46 34,67 5,2 6,31 28,36 1,45
Ймовiрно, у верхнш 5-см верствi торфу значення рН, внаслщок торф'яно! пожежi, були вищими, але у процесi вимивання солей (як правило гiдрогенкaрбонaтiв i кaрбонaтiв) атмосферними опадами у постпожежний перiод зменшились до 6,5 од. За даними Зайдельмана [4], пожежi на осушених болотах
зумовлюють вигорання торфу до мшерального дна. В процес горшня утворюються рiзноманiтнi шрогенш утворення, часто з високою вихщною лужнютю (рН 10-11).
В цшому, максимальний вплив пожеж на 45-й день дослщу простежуеться до глибини 10-15 см, що вiдповiдае зош безпосереднього поширення вогню. Тим не менш, у розташованих нижче верствах 15-20 i 20-25 см значення А рН ^зниця рН контрольного i дослiдного варiантiв) залишаються високими - 1,67 i 1,45 вщповщно. Це свiдчить про сильний дестабшзуючий вплив навiть слабких торфових пожеж на едафотоп, як у межах осередюв горшня, так i поза ними.
ВИСНОВКИ
1. Слабка торф'яна пожежа, за яко! згорае рослинний покрив i прогорае торф на глибину 10-13 см призводить до суттевих профiльних змiн вмiсту С-ЕХВОР i С-ЕГВОР, причому архiтектонiки цих змш е подiбними. Такий дефщит лабшьно1 оргашчно1 речовини пов'язаний з И шрогенною деструкцiею внаслiдок хiмiчного окиснення, iнгiбуванням мiкробного синтезу водорозчинних оргашчних сполук в едафотош та припиненням надходження органiчних речовин Карбону в едафiчне середовище у процес фотосинтезу за вiдсутностi рослинного покриву.
2. Торф'яна пожежа супроводжуеться збшьшенням рН середовища не лише в шарах, де був осередок горшня, а й в сумiжних, вiзуально непорушених верствах. що свiдчить про дестабшзуючий вплив навiть слабких торфових пожеж не лише на поверхнев^ а й на глибшi верстви болотних едафотопiв, зокрема 1хню кислотно-основну рiвновагу.
3. Вмiст лабшьних, насамперед, водорозчинних органiчних сполук у торфах е штегральним показником, за яким можна судити як про еколопчну яюсть болотних едафотопiв, так i про ступiнь 1хньо1 шрогенно1 трансформаци.
Список лiтератури
1. Горная энциклопедия [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.mmmg-enc.rU/s/samovozgoranie-torfa/. - Назва з екрана.
2. Гудовсю Я. 1стор1я дослщжень витоюв Дтстра : вщ Геродота до сьогодншшх дослщжень варшавських та льв1вських географ1в / Я. Гудовсю, Ю. Нестерук. - Льв1в: Шга-Прес, 2009. - 24 с.
3. Добровольский Г. В. Углерод в почвах и ландшафтах Северной Евразии / Г. В. Добровольский, С. Я. Трофимов, С. Н. Седов // Круговорот углерода на территории России: избр. научные труды по проблеме «Глобальные изменения биосферы. Антропогенный вклад». - М., 1999. - С. 233-270.
4. Зайдельман Ф. Р. Деградация почв как результат антропогенной трансформации их водного режима и защитные мероприятия / Ф. Р. Зайдельман. - Почвоведение. - 2009. - № 1. - С. 93-105.
5. Зайдельман Ф. Р. Пирогенная и гидротермическая деградация торфяных почв, их агроэкология, песчаные культуры земледелия, рекультивация / Ф. Р. Зайдельман, А. П. Шваров. - М.: Изд-во МГУ, 2002. - 165 с.
6. Колошко Л. К. Еколопчш аспекти пошкоджених пожежею торфових грунтгв / Л. К. Колошко, Л. В. Васюк, Н. П. Бшокурець // Природа Захщного Полгсся та прилеглих територш. - 2009. -№ 6. - С. 63-72.
7. Мухин Е. В. Экологические функции и миграция водорастворимых органических веществ в почвах лесопарковых ландшафтов нижнего течения реки Северной Двины: автореферат дис. на соискание уч. степени канд. биол. наук / Е. В. Мухин; Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева. - Москва, 2007. - 24 с.
8. Орловский С. Н. Лесные и торфяные пожары, практика их тушения в условиях Сибири: учеб. пособие / С. Н. Орловский. - Красноярск: Краснояр. гос. аграр. ун-т, 2003. - 163 с.
9. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России / [В. Н. Кудеяров, Г. А. Заварзин, С. А. Благодатский и др.]. - М.: Наука, 2007. - 315 с.
10. Статистичш дат про пожежi в будiвлях, лгсах, торф'яниках та на транспорта, та 1х наслщки за 9 мсяцш 2010 року УкрНДШБ МНС Украши. - Ки1в, 2010.
11. Climate change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel of Climate Change / [ed. J. T. Houghton, Y. Ding, D. J. Griggs and other]. - N. Y.: Cambridge Univ. Press, 2001. - 881 p.
12. Ghani A. Bioavailability of dissolved organic carbon and nitrogen leached or extracted from pasture soils [Електронний ресурс] / [A. Ghani, U. Sarathchandra, S. F. Ledgard et al.] // In: Adding to the knowledge base for the nutrient manager. - New Zealand. - 9 p. - Режим доступу: http://www.massey.ac.nz/~flrc/workshops/11/paperlist11 .htm. - Назва з екрана.
13. Ghani A. Hot-water extractable C in soils: A sensitive measurement for determining impacts of fertilization, grazing and cultivation / A. Ghani, M. Dexter, K. W. Perrot // Soil Biol. Biochem. - 2003. -N. 35. - P. 1231-1243.
14. González-Pérez J. A. The effect of fire on soil organic matter - a review / J. A. González-Pérez, F. J. González-Vila, G. Almendros, H. Knicker // Environment International. - 2004. - Vol. 30. -P. 855-870.
15. Kaiser K. Sorption of dissolved organic nitrogen by acid subsoil horizons and individual mineral phases / K. Kaiser, W. Zech // European Journal of Soil Science. - 2000. - Vol. 51. - P. 403-411.
16. Marschner, B. Controls of bioavailability and biodegradability of dissolved organic matter in soils / B. Marschner, K. Kalbitz // Geoderma. - 2003. - Vol. 113. - P. 211-235.
17. Michalzik B. Dynamics of dissolved organic nitrogen and carbon in a Central European Norway spruce ecosystem / B. Michalzik, E. Matzner // Europ. J. Soil Sci. - 1999. - Vol. 50. - P. 579-590.
18. von Lutzow M. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms / M. von Lutzow, I. Kogel-Knabner, K. Ekschmitt // Soil Biology and Biochemistry. -2007. - Vol. 39. - P. 2183-2207.
19. WMO Press Release No. 906, 2011 [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.wmo.int/pages/mediacentre/press_releases/pr_906_en.htmlа. - Назва з екрана.
Партыка Т. В., Гамкало З. Г., Бедерничек Т. Ю. Особенности количественных изменений водорастворимого органического вещества в болотных эдафотопах Верхнеднестровского Предкарпатья в результате торфяных пожаров // Экосистемы, их оптимизация и охрана. Симферополь: ТНУ, 2012. Вып. 6. С. 257-263.
Рассмотрено влияние торфяного пожара на содержание водорастворимого органического вещества (ВОВ) и актуальную кислотность низинных торфяников. В результате пожара содержание фракций ВОВ уменьшилось в слое торфа 0-25 см., причем наибольшие изменения произошли в верхней 10-см толще, где содержание экстрагируемых холодной водой (20°С) органических веществ уменьшилось в 2,5 раза, а горячей (80°С) - почти в 4 раза, по сравнению с ненарушенным торфяником. Эти изменения сопровождались увеличением рН от 4,1 до 6,5 ед. в слое торфа 0-5 см и от 4,5 до 5,2 на глубине 20-25 см.
Ключевые слова: водорастворимое органическое вещество, низинные торфяники, болотный эдафотоп, торфяной пожар, глобальное потепление.
Partyka T., Hamkalo Z., Bedernichek T. The peculiarities of quantitative changes of water-soluble organic matter in wetland soils of Upper Dnister Peredkarpattya due to peat fires // Optimization and Protection of Ecosystems. Simferopol: TNU, 2012. Iss. 6. P. 257-263.
The impact of peat fires on water-soluble organic matter (WSOM) in wetland soils was studied in this article. The profile changes of WSOM content and actual acidity of peats were explored. It was found that soil organoprofile was transformed at least 25 cm deep. The most significant changes were observed in top 10-cm layer: the content of cold (20°C) water-soluble organic matter decreased in 2.5 times, and hot (80°C) - in almost 4 times. These changes were attended by an increase of pH from 4.1 to 6.5 in 0-5 cm layer of peat and from 4.5 to 5.2 at depth of 20-25 cm.
Key words: water-soluble organic matter, lowland peat, wetland soils, peat fire, global warming.
Поступила в редакцию 22.08.2012 г.
