CC BY
0УДК 911.2
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1498-1502
РЕКОНСТРУКЦИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ ПОЖАРОВ В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
СРЕДНЕГО ЗАВОЛЖЬЯ В ГОЛОЦЕНЕ ПО ДАННЫ ИЗУЧЕНИЯ МАКРОЧАСТИЦ УГЛЯ В ТОРФЕ НА ТЕРРИТОРИИ НАЦИОНАЛЬНОГО ПАРКА
«БУЗУЛУКСКИЙ БОР»
RECONSTRUCTION OF FIRE PERIODICITY IN FOREST ECOSYSTEMS OF THE MIDDLE VOLGA REGION IN THE HOLOCENE ACCORDING TO THE DATA OF STUDYING COAL MACROPARTICLES IN PEAT ON THE TERRITORY OF THE BUZULUKSKIY BOR NATIONAL PARK
Шатунов А.Е.1, Новенко ЕЮ.2 Shatunov A.E.1, Novenko E.Yu.2
1,2Институт географии РАН, Москва, Россия Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
E-mail: 1lenanov@mail.ru, 2toxavilli@yandex.ru
Аннотация. Национальный парк «Бузулукский бор» расположен в зоне типичных степей. Для выяснения особенностей его функционирования в голоцене была выполнена реконструкция пожаров по данным макроскопических частиц угля в торфе в болоте Побочное. Была реконструирована история пожаров за последние 10,5 тыс. кал. л.н. В раннем голоцене наблюдались низкие темпы накопления макроуглей и редкие пожары, вероятно преобладание травяной растительности. С 8 до 4 тыс. кал. л.н скорость накопления угольных частиц увеличилась, а межпожарный интервал сократился, особенно в период 6,4-6 тыс. кал. л.н, когда он составлял около 60 лет. После 4,8 тыс. кал. л.н в районе болота произошла резкая смена пожарного режима. Значительно увеличилась скорость накопления угольных частиц. С 3,5 до 2,8 тыс. кал. л.н наблюдалось уменьшение доли пыльцы сосны и древесных в целом и увеличение содержания пыльцы березы и полыни, что отражает влияние пожаров на растительность. Похолодание и увлажнения климата около 2,7 тыс. кал. л.н. привело к снижению пожарной активности на изучаемой территории и расширению площади лесов. Начиная с 1,8 тыс. кал. л.н. скорость аккумуляции частиц угля в торфе резко возросла. В течение последней 1000 лет выявлено 8 пожарных эпизодов, МПИ составлял в среднем около 200 лет, но возможно, пожары происходили и чаще.
Ключевые слова: палеоэкология, пожары, степь, Бузулукский бор.
Abstract. The Buzuluksky Bor National Park is located in the zone of typical steppes. To elucidate the peculiarities of its functioning in the Holocene, we performed a reconstruction of fires based on the data of macroscopic coal particles in peat in the Pobochnoe bog. The fire history for the last 10.5 thousand cal BC was reconstructed. In the Early Holocene, low rates of macrocharcoal accumulation and rare fires were observed, probably dominated by herbaceous vegetation. From 8 to 4,000 cal yr BP the rate of accumulation of coal particles increased and the inter-fire interval shortened, especially in the period 6.4-6,000 cal yr BP, when it was about 60 years. After 4.8 thousand cal yr BP, a dramatic change in fire regime occurred in the marsh area. The rate of coal particle accumulation increased significantly. From 3.5 to 2.8 thousand cal yr BP, there was a decrease in the proportion of pine and woody pollen in general and an increase in birch and Artemisia pollen, reflecting the effect of fires on vegetation. Climate cooling and moistening around 2.7 thousand cal yr BP led to a decrease in fire activity in the study area and an expansion of forest area. Starting from 1.8 thousand cal. yr BP, the rate of accumulation of coal particles in peat increased dramatically. During the last 1000 years, 8 fire episodes were identified, the inter-fire interval averaged about 200 years, but fires may have occurred more frequently than this
Key words: Paleoecology, fires, steppe, Buzulukskiy Bor.
Введение. Бузулукский бор - уникальный лесной массив, расположенный в зоне типичных степей. В связи с этим торфяные отложения болота Побочное, расположенного в его пределах - важный природный «архив» для изучения истории природной среды и периодичности пожаров в голоцене. Палеоботаническое изучение торфяной залежи и радиоуглеродное датирование было выполнено К.В. Кременецким с соавт. [1]. В ходе исследований 2022 года была рассчитана новая модель вертикального прироста торфа с использованием программы Bacon [2] в программной среде R.
Материалы и методы. Подготовка проб для анализа макрочастиц угля проведена по стандартной методике [3]. Образцы отобраны непрерывно с интервалом 1 см. Всего за 2023 г. проанализировано 900 образцов. Для анализа угольных частиц в образцах была применена
разработанная ранее методика подсчета количества и площади углей посредством анализа изображений. Разделение частиц угля на классы (древесные и травянистые) проведено согласно классификации Vachula et al., [4], которая относит частицы угля с соотношением длины к ширине более 3,5 к травяным уголькам, а менее - к древесным.
Для обработки изображений создана необходимая программа в среде R, при помощи которой выделены угольные частицы (методом бинаризации изображения с указанием порога). Статистическая обработка результатов подсчета концентрации угольных частиц в торфе осуществлялась в программном пакете tapas [5]. Вычислена скорость аккумуляции частиц угля (CHAR, количество частиц, выпадающих на поверхность размером 1 кв. см в год), выделены фоновые и пиковые значения скорости аккумуляции частиц угля, а также локальные пожарные эпизоды (один или серию крупных пожаров в окрестностях болота) и рассчитаны межпожарные интервалы.
Для выявления особенностей пожарных режимов был проведен кластерный анализ k-meansв программной среде Rс использованием библиотек factoextra и cluster [6, 7]. Кластеры выделялись по числу макрочастиц угля, соотношению древесных и травяных угольных частиц (%) и соотношению AP : NAP[1] (соотношение древесной и недревесной пыльцы), которые были подсчитаны в см керна. Оптимальное количество кластеров определялось визуально по перегибу на графике общей суммы квадратов (рисунок 1). Было построено 4 кластера, количество итераций равнялось 100 (рисунок 2).
125000-
m
0
1
ооооо-
со
аз
1 75000-
о
к
со
3" 50000
ю
О
250002 3 4 5 6 7 8 9 10~~ Число кластеров
Рисунок 1. Общая сумма квадратов для выбора оптимального числа кластеров.
Поскольку для кластеризации используется несколько переменных, то по осям представлены объясняющие наибольшую часть дисперсии компоненты, которые объясняют 46,3% и 30% дисперсии. Все кластеры хорошо разделяются друг от друга, кроме второго и третьего (рисунок 2). Средние значения соотношения AP : NAP, % древесных частиц от общей суммы частиц, общего числа угольных частиц в см представлены в таблице 1.
Для первого кластера характерна относительно низкая лесистость, малое число углей (в среднем 12,5 ед.), но при этом угли преимущественно древесные, на основании чего мы можем предположить, что для этого периода характерно преобладание степей над лесами, но горели преимущественно леса. Кластер два имеет высокое соотношение AP : NAP (57,74), высокую долю древесных углей (64,1%) и наибольшее число макроуглей, что позволяет сделать вывод, об высокой интенсивности лесных пожаров, которые, возможно, и стали ограничителем увеличения доли лесистости. Третий кластер характеризуется наибольшим соотношением AP:NAP (69,6) при доли древесных частиц, аналогичных для первого и второго кластера, с числом углей 22,5 ед. Кластеры два и три плохо сепарируются друг от друга (рисунок 2), что связано с не слишком сильно различающимся соотношением AP : NAP, практически одинаковости по доле древесных частиц и высокому, хоть и отличающимся более чем в два раза, числу углей. Вероятно, кластеры
2 и 3 показывают различные условия функционирования ландшафта при схожих условиях, но с разной интенсивностью пожаров. Наконец, четвертый кластер характеризуется низким соотношением AP : NAP аналогично первому, но при этом доля древесных углей наименьшая и составляет всего 39,8%, наименьшим является и число углей. Вероятно, этот кластер должен указывать на этапы, когда преобладали степные пожары, в то время как остальные 3 кластера указывают на преобладание лесных пожаров.
"18
Ж
\
\
4-202
Dim1 (46.3%)
Рисунок 2. Диаграмма рассеивания с 4 кластерами.
Таблица 1
Средние значения переменных для каждого из 4-х кластеров
Кластер AP : NAP Древесных углей % Число углей
1 45,67 68,38 12,55
2 57,74 64,11 50,36
3 69,62 65,22 22,46
4 46,37 39,81 6,15
Результаты исследования. Полученные данные позволили реконструировать историю пожаров на территории национального парка «Бузулукский бор» за последние 10,5 тыс. кал. лет.
Для раннего голоцена (временного интервала 10,5-8,0 кал. л.н.) характерны низкие скорости накопления макроуглей (мене 10 частиц/см2 в год) и редкие пожарные эпизоды. Высокая доля углей травянистых растений среди макроуглей, накопившихся в этот период, хорошо согласуется с палинологическими данными, полученными К.В. Кременецким с соавт. [1], согласно которым на территории, прилегающей к болоту, была распространена лесостепная растительность. Доля пыльцы травянистых растений составляла от 40 до 65%, среди которой преобладала полынь (до 40%) и маревые (до 20%). Древесную растительность формировали сосна и береза с небольшим участием широколиственных пород, доля которых постепенно возрастала. Судя по тому, что образцы в этот период относятся только к 1 и 4 кластеру, можно предположить, что для территории были характерны степные и лесные пожары низкой интенсивности, что может быть связано с недостатком древесного топлива из-за низкой лесистости (рисунок 3). Судя по тому, что пики скоростей накопления макроугля, по которым определяются ближайшие к территории исследования пожары, приходятся на степной кластер, то, вероятно, в непосредственной близости горели травяные сообщества, в то время как фоновый уголь поступал как из лесных, так и из травяных.
Рисунок 3. Скорость аккумуляции макроскопических частиц угля в торфяной залежи болота Побочное (НП «Бузулукский бор»).
Межпожарные интервалы (красными крестиками обозначены пожарные эпизоды). Цветом сверху показана принадлежность к кластеру.
В период 8,0-4,8 тыс. кал. л.н. скорость аккумуляции угольных частиц возрастает до 7-10 частиц/см2 в год, выделяются пожарные эпизоды, в которых доля древесных углей существенно превышает долю травянистых, за исключением эпизодов 7,2 и 5,4. тыс. кал. л.н (рисунок 3). Серия крупных пожаров выявлена в интервале 6,4-6,0 тыс. кал. л.н., установлено 6 пожарных эпизодов с интервалом около 60 лет. Учитывая, что пожарных эпизод может охватывать не один, а несколько пожаров, для рассматриваемого периода была характерна очень высокая пожарная активность. В спорово-пыльцевых спектрах этому интервалу соответствует зона резкого увеличения доли пыльцы сосны (до 60-70%). В это время доля степных пожаров сокращается от начала к концу этапа, в то время как доля лесных возрастает. В начале этапа локальные пожары относятся в основном к первому кластеру, который характеризуется низкой общей лесистостью и малым числом угольных частиц. В середине этапа все локальные пожары относятся к 3 кластеру. Возможно, частые пожары способствовали формированию сосновых лесов, поскольку сосна, в отличие от других древесных пород, не погибает при низовых пожарах, и, кроме того, ее возобновление лучше происходит по гарям. После 5,5 тыс. кал. л.н. локальные пожары не выявляются, а фоновый уголь поступает в условиях, вероятно, более низкой лесистости территории и пожаров слабой интенсивности, судя по отношению к 1 кластеру.
После 4,8 тыс. кал. л.н. на территории, прилегающей к болоту Побочное, произошла резкая смена пожарных режимов (рисунок 3). Скорость аккумуляции частиц угля увеличилась до 20-30 с отдельными пиками до 50-60 частиц/см2 в год, что в 2-5 раз превышает значения CHAR в предыдущий период. Выявлены два интервала повышенного поступления угольков в болото в интервалах 4,8-3,9 и 3,5-2,8 тыс. кал. л.н., разделенные периодом, когда пожарная активность сокращалась. Интервалы увеличения поступления угля в торфяную залежь болота совпадают по времени с сокращением доли древесных пород в пыльцевых спектрах (до 40-50%) и возрастанием доли полыней (20-30%) и лугового разнотравья. Среди угольных частиц большую долю составляет древесный уголь, что указывает на периодические лесные пожары. Для интервала 3,5-2,8 тыс. кал. л.н. характерно наименьшая за периоды среднего и позднего голоцена значения суммы пыльцы древесных пород и сосны в спектрах (25-30% и 10% соответственно) и увеличение содержания березы и полыни до 20-30%, что, очевидно, отражает не только влияние климатического фактора, но воздействие пожаров на растительный покров. Локальные пожары относятся в основном к третьему кластеру, что говорит о том, что они происходили в периоды с
достаточно высокой лесистостью и были наиболее интенсивными за все время до этого. Фоновые пожары относятся в основном к 1 и 3 кластерам. Благодаря этому, мы можем говорить, что мощность пожаров ограничивалась или недостаточностью древесного топлива, или изменением климатических условий, при которых доля лесной растительности возрастала, а интенсивность пожаров снижалась. Степной кластер практически полностью пропадает.
Похолодание и увлажнения климата около 2,7 тыс. кал. л.н. привело к снижению пожарной активности на изучаемой территории и расширению площади лесов (рисунок 3). Доля пыльцы деревьев и кустарников в спектрах возросла до 60%. В интервале 2,7-1,5 тыс. кал. л.н. скорость аккумуляции частиц угля понизилась до 7-10 частиц/см2 в год, пожарные эпизоды не выделены. Первая половина этапа относится к 1 кластеру, а вторая к 3, что говорит об низкой фоновой скорости поступления макрочастиц угля, но при этом в начале этапа доля древесной пыльцы была меньше, чем во второй половине.
Начиная с 1,8 тыс. кал. л.н. скорость аккумуляции частиц угля в торфе резко возросла, CHAR увеличилась в пять-шесть раз по сравнению с предыдущим периодом и достигла 50-60 частиц/см2 в год, МПИ составлял 100-200 лет (рисунок 3). В пожарах средневековья (800-1200 гг.) древесные угли существенно преобладали над остатками травянистых, в более поздних пожарах доля остатков трав увеличилась, что, возможно, указывает на сокращение площади лесов и древесины, как горючего материала. Высокие пики CHAR и обилие крупных частиц угля (400-500 мкм) указывают на крупные верховые пожары вблизи болота. В течение последней 1000 лет выявлено 8 пожарных эпизодов, МПИ составлял в среднем около 200 лет, но возможно, пожары происходили и чаще. Для спорово-пыльцевых спектров характерны резкие колебания в соотношении пыльцы сосны и березы, что отражает постпирогенные сукцессии растительного покрова. Локальные пожары относятся в основном ко второму кластеру, что говорит о высокоинтенсивных лесных пожарах в непосредственной близости от болота, фоновые же относятся к 2 и 3 кластеру. Это позволяет предположить, что интенсивность пожаров на окружающей территории менялась на протяжении этапа, но при этом пожары были лесными при относительно высокой лесистости.
Выводы. В течение голоцена на территории Бузулукского бора выявлено 5 периодов, соответствующих сменам пожарных режимов, проведено их сопоставление с историей развития растительности, реконструированной по палинологическим данным. 10,5-8,0 тыс. кал. л.н., низкая аккумуляция угля и единичные пожары с длительный межпожарным интервалом, преобладает травянистая растительность. 8,0-4,8 тыс. кал. л.н. высокая пожарная активность, периодические низовые пожары низкой интенсивности, сосновые леса. 4,8-2,8 тыс. кал. л.н. рост пожарной активности и интенсивности пожаров, аккумуляция угля возрастает в 2-5 раз, увеличение доли безлесных растительных сообществ. 2,8-1,8 тыс. кал. л.н. сокращение поступления угля и отсутствие пожарных эпизодов, увеличение площади лесов. 1,8 тыс. кал. л.н. - настоящее время, скачкообразный рост аккумуляции угольных частиц, интенсивные пожары вблизи болота, постпирогенные сукцессии растительного покрова.
Исследование выполнено в рамках темы государственного задания Института географии РАН FMWS-2024-0005.
Список литературы
1. Kremenetski C.V., Boettger T., Junge F.W., Tarasov A.G. Late- and postglacial environment of the Buzuluk area, middle Volga region, Russia // Quaternary Science Reviews. 1999. Vol. 18. P. 1185-1203.
2. Blaauw M., Christen J.A. Flexible paleoclimate age-depth models using an autoregressive gamma process // Bayesian Analysis. 2011. Vol. 6(3). P. 457-474.
3. Mooney S., Tinner W. The analysis of charcoal in peat and organic sediments // Mires and Peat. 2011. Vol. 7. Р. 1-18.
4. Vachula R., Sae-Lim J., Li, R. A critical appraisal of charcoal morphometry as a paleofire fuel type proxy // Quaternary Science Reviews. 2021. 262. 106979. 10.1016/j.quascirev.2021.106979.
5. Finsinger W., Bonnici I. Tapas: an R package to perform trend and peaks analysis. 2022. [электронный ресурс]. DOI: 10.5281/zenodo.6344463 (дата обращения: 17.10.2023).
6. Kassambara, A. and Mundt, F.Factoextra: Extract and Visualize the Results of Multivariate Data Analyses. 2020. R Package Version 1.0.7.
7. Maechler M, Rousseeuw P, Struyf A, Hubert M, Hornik K. cluster: Cluster Analysis Basics and Extensions. 2023. R package version 2.1.
