Изменение химических свойств осушенных торфяных почв под влиянием огневого фактора

Введение . Торфяные пожары в последние годы получили широкое распространение на территории России и ее регионов. В 2011 г. на территории Сибирского федерального округа зарегистрировано 504 очага возгораний на общей площади 12,48 тыс. га. Пожары зафиксированы в лесах Бурятии, Тувы, Хакасии, в Красноярском крае, на Алтае. В Забайкальском крае, по данным МЧС, только за одни сутки было зарегистрировано 24 очага лесных и торфяных пожаров на площади 524,5 га [1]. Большинство работ этой тематики освещают вопросы пирогенного влияния на неосушенные и осушенные болотные почвы в Западной Сибири, европейской территории России, Белоруссии, Башкирии. В Сибирском регионе данной проблеме посвящено ограниченное число работ [2, 3]. В Бурятии исследования по влиянию пожаров на свойства почв единичны и посвящены лесным пожарам [4, 5]. Вместе с тем в Байкальском регионе на осушенных болотных массивах также наблюдаются пожары. На крупнейшей в Бурятии осушительной системе в дельте р. Селенга почти ежегодно происходят пожары, последствия которых до настоящего времени не изучались. В условиях континентальности климата изменения почв, происходящие при пожарах, и пути их восстановления, очевидно, будут иметь региональные особенности. Исследование трансформации болотных почв в результате пожаров актуально как с точки зрения изучения послепожарного состояния, так и особенностей восстановления в условиях Байкальского региона.

Цель исследований . Изучение влияния пожаров на химический состав осушенных торфяных почв.

Задачи исследований . Анализ изменений морфологического строения и химического состава почв через 1 год и 7 лет после пожара.

Объекты и методы исследований . Работы проводились в 2011 г. на территории Посольской мелиоративной системы в Кабанском районе Республики Бурятия. Объектами исследований являлись низинные осушенные торфяные и торфяно-глеевые почвы Посольского болота и их пирогенные аналоги. Данный массив площадью 237,87 км ² является самым крупным в Бурятии. Активные работы по осушению были начаты в 1958 году. Площадь мелиоративной системы, которая находится в восточной части болота, составляет 87,62 км ² . Осушенная часть болота в основном используется под сенокосы. В настоящее время отмечается интенсивное зарастание кустарником каналов и коллектора осушительно-оросительной системы. На ее территории наблюдаются частые возгорания торфяников. Во время проведения исследований и в последующие годы также были зафиксированы очаги возгорания.

Полевые методы. На территории мелиоративной системы было заложено два ключевых участка с почвами, пройденными пожаром в 2010 г. (ключевой участок №1) и 2004 г. (ключевой участок №2). Для кон- троля были взяты почвы, не подвергшиеся действию огня. В полевых условиях проводилось морфологическое описание почвенных разрезов [6] и отбор образцов почв на химические анализы.

Лабораторные методы . В лабораторных условиях фотометрическим методом определены SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , P 2 O 5 ; CaO, MgO, MnO, Fe 2 O 3 – атомно-адсорбционным; CO 2 – титриметрическим; п.п.п., S – гравиметрическим; F – потенциометрическим; Na 2 O, K 2 O – пламенно-фотометрическим методом [7]. Измерения производились на атомно-адсорбционном спектрофотометре ААS-1N, спектрофотометре Юнико 1201 и ио-нометре Анион-4100.

Морфологическое описание . Ключевой участок №1. Профиль мелиорированной торфяной почвы (разрез 2-11, рис. 1, а ) имеет строение: Т1–Т2–Т3–ТМ (торфо-минеральный) – ВСG–CG. В результате воздействия огня в 2010 г. профиль приобрел строение: П (пирогенный) – ВСG–CG (разрез 3-11, рис. 1, б ).

Ключевой участок №2. Строение мелиорированной торфяно-глеевой почвы: А0–Т1–Т2–ВСG–Апогр– CG (разрез 5-11, рис. 2, а ). Под торфяной толщей обнаруживается насыпной песчаный горизонт ВСG, под ним располагается погребенная почва. Профиль пирогенного образования (через 7 лет после пожара): А0– П–А1–CG (разрез 4-11, рис. 2, б ) признаков погребения не обнаруживает. На поверхности золы находится слой неразложившейся ветоши.

Рис. 2. Профили почвы, не нарушенной пожаром, и пирогенного образования: а – осушенная низинная торфяно-глеевая почва; б – пирогенное образование (пожар произошел семь лет назад) 51

Рис. 1. Профили почвы, не нарушенной пожаром, и пирогенного образования: а – осушенная низинная торфяная маломощная почва; б – пирогенное образование (пожар произошел год назад)

Результаты исследований и их обсуждение . При сгорании 68 см торфа образуется пирогенный слой П мощностью 10 см, гипсометрическая отметка снижается на 58 см. Слой золы 1-годичной гари характеризуется рыхлым сложением, бесструктурностью и рыжевато-охристым цветом.

Пирогенный слой 7-летней гари мощностью 3 см образовался при сгорании торфа толщиной 31 см. Для него характерна светло-охристая окраска, появление комковатой структуры, скрепленной корнями. Предположительно, что ранее под слоем торфа исходной негоревшей почвы ключевого участка №2 находился торфо-минеральный горизонт, который в результате сгорания органической толщи оказался близко к поверхности, под слоем золы. Под воздействием корней пионерной растительности за 7 лет горизонт преобразовался в гумусовый (А1) мощностью 34 см. Он отличается ореховато-комковатой структурой, темносерой до черного окраской, обильным включением корней [8]. Таким образом, имеет место так называемая «глубинная» деградация торфяных почв, вызванная сгоранием всех горизонтов торфа и формированием пирогенных образований с укороченным профилем [9].

Зольный состав почв отражает общие зональные геохимические закономерности [10, 11]. Болотные осушенные почвы Посольского болота относятся к высокозольным.

Исследования валового химического состава торфяной и торфяно-глеевой почв показали повышенное содержание макроэлементов SО 3 , СаО, Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 (табл.). Cодержание SiO 2 и Аl 2 O 3 в золе верхних слоев торфа составляет 33–43 и 7–9 % соответственно. Молекулярное отношение SiO 2 :R 2 O 3 равно 5,6 – 7,1. Учитывая, что в кислых породах (гранит и др.) отношение SiO 2 :Аl 2 O 3 =7–8, а в глинистых в основном составляет 2,0–4,5 [12]. Это позволяет предполагать, что указанные элементы входят в состав пылеватых частиц, которые попадают в почву с паводковыми водами или в результате осаждения пыли и мелких пылеватых частиц грунта из атмосферы [13]. В горизонте ТМ содержание SiO 2 и Аl 2 O 3 резко возрастает (66,3 и 16,4 %), что связано с преобладанием минеральных веществ. Также здесь наблюдается увеличение Na 2 О и K 2 О до 3 %.

Химический состав минеральной части болотных почв и пирогенных образований , %*

№ п/п	Глубина горизонта, см	Сырая зола	SiO 2	TiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	MnO	MgO	CaO	Na 2 O	K 2 O	P 2 O 5	SО 3	П.П.П.	Сумма	CO 2	SiO 2 R 2 O 3
Разрез 2 – 11Д						Низинная торфяная маломощная (контроль)
1	Т1 (0-25/32)	12,46	42,8	0,44	8,4	3,78	0,03	1,53	20,24	1,21	1,13	1,32	12,82	6,92	100,62	4,73	7,1
2	Т2 (25/3245/35)	11,07	40,7	0,50	9,2	4,05	0,12	2,0	20,72	1,04	0,89	0,92	12,97	7,98	101,09	6,16	6,18
3	Т3 (45/35 63)	11,82	33,4	0,38	7,7	4,58	0,09	3,12	24,88	1,04	0,84	1,14	10,7	9,02	96,89	6,71	5,6
4	Т4 (63-68)	80,11	66,3	0,84	16,4	3,4	0,06	1,45	3,82	3,08	2,77	0,28	0,67	1,88	100,95	-	6,11
5	ВСG (68-95)	-	67,1	0,79	16,0	3,3	0,06	1,47	2,71	3,60	3,00	0,17	0,3	1,12	99,62	-	6,22
6	СG (95-132)	-	66,6	0,8	16,2	3,73	0,06	1,67	2,71	3,47	3,13	0,17	0,27	1,26	100,07	-	6,17
Разрез 3 – 11Д Пи							рогенное образование (пожар в 2010 г.)
7	Ппир (0-10)	-	38,4	0,34	7,1	5,13	0,06	1,45	22,17	0,66	0,7	1,18	15,3	7,8	100,29	5,50	6,4
8	ВСG (10-37)	-	66,7	0,81	16,1	3,58	0,06	1,45	2,87	3,36	2,97	0,19	0,45	1,28	99,82	-	6,17
9	СG (37-90)	-	66,3	0,83	15,8	4,83	0,07	1,67	2,72	3,62	3,05	0,19	0,27	1,08	100,43	-	6,11
Разрез 5 – 11Д Низинная торфяно-глеевая (конт												роль)
10	Т1 (2-23)	60,09	64,7	0,72	14,5	4,72	0,1	1,49	5,08	2,73	2,50	0,47	1,1	2,48	100,59	-	6,35
11	Т2 (2331/32)	29,29	60,0	0,56	11,7	7,55	0,13	1,37	9,76	1,38	1,45	1,12	4,32	4,08	103,42	-	6,81
12	ВСG (31/32-45(49/44)	-	73,5	0,44	14,0	1,63	0,03	0,64	2,07	3,64	3,10	0,1	0,25	0,88	100,03	-	8,13
13	Aпогр(45(49 /44) -69/73)	-	69,6	0,64	15,4	2,76	0,05	0,98	2,29	3,45	2,93	0,14	0,35	1,02	99,26	-	6,82
14	СG (69/73 95)	-	65,0	0,92	17,0	4,37	0,07	1,9	2,29	3,0	2,77	0,14	0,32	1,8	99,58	-	5,4
Разрез 4 – 11Д Пи							рогенное образование (пожар в 2004 г.)
15	Ппир (0-3)	-	62,6	0,61	12,4	5,48	0,12	1,24	7,93	1,72	1,67	1,41	0,25	3,92	99,35	1,43	6,93
16	А1 (3/37-46)	-	66,5	0,88	16,2	3,84	0,06	1,41	2,72	2,93	2,57	0,18	0,47	1,84	99,6	-	6,17
17	СG (37/46 75)	-	65,5	0,88	16,5	4,44	0,07	1,88	2,36	3,15	2,93	0,14	0,27	1,74	99,86	-	5,74

* % на прокаленную почву.

Ключевой участок №1 . В исследованных нами почвах северной окраины болотного массива в составе золы отмечено повышенное содержание Са, Fe и Р, которые, очевидно, накапливаются на геохимическом барьере в краевой части болота. Как известно, краевые зоны низинных болот являются геохимическим барьером, в котором задерживаются многие элементы, выщелоченные из почв и коры выветривания [14].

Для низинных болот характерно повышенное содержание кальция [10]. В исследованных почвах количество СаО в горизонтах Т1 – Т3 достигает 20,24–24,88 % и снижается в горизонте ТМ (3,82 %). Высокое содержание кальция в золе торфа обусловлено гидрокарбонатно-кальциевым составом болотно-речных вод [15] и связано с его биогенно-гидрогенной аккумуляцией на испарительном и сорбционном барьерах в краевой части болота, где располагался ключевой участок №1. В горизонте ТМ и минеральных горизонтах аллювиального генезиса этот показатель резко снижается.

Также в почве р. 2-11Д отмечено большое количество серы в верхних трех горизонтах – 10,7–12,97 % и резкое снижение в ТМ – 0,67 %. Вероятная причина накопления серы на болотном массиве – промышленные загрязнения, которые поступают с речными и делювиальными водами с хр. Хамар-Дабан [15]. Установлено, что в районе дельты р. Селенги выпадают атмосферные осадки, содержащие большие концентрации NH 4⁺ , SO 4² , Cl ^- , HCO 3^- и др. [16]. Только зимой содержание сульфат-иона в осадках может достигать 100 мг/л и более. В отсутствие активных адсорбентов в зоне аэрации эти компоненты могут проникать в грунтовые и почвенные воды. Так, среднее содержание сульфатов, по данным авторов [16], в грунтовых водах Калтусной низины составляет 21,3 мг/л.

Содержание FeО в органической части профиля значительно и составляет 3,4–4,6 %, в минеральной – 3,3–3,7 %. Аккумуляция железа в низинных торфяных почвах обусловлена характером минерализации грунтовых вод. Установлено, что в глеевых водах на щелочном, сорбционном и термодинамическом барьерах осаждаются как кальций, так и железо [17].

Для органогенных горизонтов также характерно некоторое накопление фосфора. Известно, что присутствие свободных форм соединений железа, как правило, сопровождается накоплением фосфора, с которым оно образует нерастворимые соединения. В низинных высокозольных кальциевых почвах большая часть минерального фосфора находится в форме фосфатов кальция [10]. Низкое содержание K 2 О и Na 2 О, очевидно, обусловлено выносом этих элементов с дренажными водами.

Исследованиями Ф.Р. Зайдельмана [9, 18], И.М. Габбасовой [19], Д.И. Морозовой [20], С.В. Романова [21] показано, что в пирогенном горизонте по сравнению с исходным торфом возрастает содержание макроэлементов (P, K, Ca, Mg, Mn), а также микроэлементов и тяжелых металлов (Pb, Cu, B, Cd, Zn) [9].

Нами было установлено, что через год после пожара произошло увеличение содержания SO 3 в золе с 9,3 (усредненное значение по торфяным горизонтам) до 15,30 % и Fe 2 O 3 с 4 (усредненное значение) до 5,13 %. Возможно, что пожары вызвали повышение температуры приземного слоя воздуха и усиление испарительного эффекта, что привело к формированию геохимического барьера, где происходит накопление веществ, наиболее растворимые из которых (K 2 О, Na 2 О) вымываются атмосферными осадками, дренажными водами, а менее растворимые (кальций, железо) задерживаются. По данным Ф.Р. Зайдельмана [9], при торфяных пожарах происходит значительный вынос Са, Мg, К, Mn из золы первого года за счет естественного элювиирования. В данном случае в связи с континентальностью климата наблюдается вынос лишь наиболее подвижных элементов калия и натрия.

Ключевой участок №2. Ближе к центральной части болота в составе золы торфа торфяно-глеевой почвы содержание СаО и SО 3 значительно ниже, чем на ключевом участке №1, и составляет: СаО – 5,08– 9,76 %, SО 3 – 1,1–4,32 %. В Апогр. данные величины равны 2,29 и 0,13 %. Наибольшее количество SО 3 характерно для горизонта Т2 (4,32 %). Максимум накопления Fe 2 О 3 наблюдается в верхней части профиля (4,72–7,55 %), минимум – в горизонте ВСG (1,63 %). Очевидно это связано с отсутствием геохимического барьера краевой части болота по сравнению с участком №1 и соответственно менее выраженной аккумуляцией элементов. Наблюдается некоторое накопление Na 2 О, K 2 О в поверхностном слое торфа. По-видимому, эти элементы входят в состав минералов, привнесенных с атмосферной пылью.

Через 7 лет содержание оксида серы уменьшилось с 1,1–4,32 % (Т1 – Т2) до 0,25 % в золе пирогенного образования. Незначительно снизилось содержание К 2 О и Na 2 О – c 2 до 1,7 %. Это говорит о том, что сера, благодаря высокой подвижности, практически полностью выносится. Состав остальных макроэлементов в целом остался неизменным. В ряде работ [18, 20] отмечено небольшое уменьшение SiО 2 и увеличение оксидов Fe 2 О 3 и MnО в золе пирогенно-перегнойного образования с течением времени (через 4 года после пожара). Последние приобретают высокую подвижность в анаэробных условиях, вызванных вторичным заболачиванием.

Выводы

• 1.    В результате пожара на осушенных торфяных почвах верхний органогенный слой сгорает полностью. Имеет место «глубинная» пирогенная деградация. На месте торфяных горизонтов возникает слой золы П (пирогенный).

• 2.    В химическом составе органогенных горизонтов торфяных и торфяно-глеевых почв Посольского болота отмечается высокое содержание макроэлементов СаО, SО 3 , Fe 2 O 3 , Р 2 О 5 , а также К 2 О и Na 2 О. Накопление кальция, железа и фосфора обусловлено генезисом низинных торфяных залежей. Высокое содержание серы в торфяных горизонтах почв объясняется техногенными причинами.

• 3.    В результате пожара зольные вещества, ранее распределенные во всей толще торфа, теперь сконцентрированы в небольшом слое П, где находятся преимущественно в свободном состоянии и в разной степени способны к миграции. По сравнению с исходным торфом в слое золы П наблюдается увеличение содержания Fe 2 O 3 и SО 3 , а также вынос К 2 О, Na 2 О, как наиболее подвижных элементов. Через 7 лет особых изменений по их содержанию не наблюдается, за исключением серы, которая, как наиболее подвижный элемент, практически полностью выносится из золы пирогенного образования.