Особенности трансформации почв под влиянием пожаров в сосновых лесах Прибайкалья

Введение. В связи с потеплением климата на планете, вызвавшем учащение возгораний лесов, в последние десятилетия возросла актуальность исследований влияния пожаров на окружающую среду. В Байкальском регионе потепление происходит в более форсированном режиме, чем в России и на планете (Куликов и др, 2014) и в связи с этим пожары, приуроченные ранее к поздневесеннему и раннелетнему периодам, стали обычными осенью. К наиболее пожароопасным и, в то же время пирофитным в регионе относятся сосновые леса (Ходаков, Жарикова, 2011; Евдокименко, 2011).

Исследования пирогенных лесных почв показывают, что в зоне термического влияния происходят наиболее резкие и, нередко, радикальные изменения (Безко-ровайная и др, 2005; Краснощеков, 2004). Огневой фактор оказывает не только значительное, но зачастую, неоднозначное влияние на физико-химические свойства почвы, содержание и состав органического вещества и питательных элементов. После пожаров почвы вступают на путь импактного сукцессионного развития (Васенев, 2008). В общем случае под почвенными сукцессиями, очевидно, можно понимать любые изменения свойств и процессов, часто происходящие со сменой таксона на разных уровнях, за разные интервалы времени в результате модулирующего действия экзогенных и внутрипочвенных факторов. Пожары представляют собой острые одномоментные опасности, но их периодическая повторяемость (не менее 1 раз в 1000 лет) позволяет судить о постпирогенных сукцессиях как о перманентном состоянии лесных почв и способе эволюционного функционирования. Согласно многочисленным исследованиям (Добровольский, Шоба, 1978; Коломыцев, 2002; Сапожников, 1976; Borchard N et al., 2014) природное разнообразие лесов складывается в основном из различных стадий после-пожарных сукцессий. В процессе горения наряду с залповой эмиссией оксидов и сажи в атмосферу (Жила и др., 2011; Michalzik B, Martin S, 2013), происходит образование золы и угля на поверхности почвы, обогащение почвы элементами питания и снижение кислотности (Богданов и др., 2009; Краснощеков, 2014; Caon L et. al., 2014). В гумидных областях зола вымывается из почвы, в засушливых — может улетучиваться с воздушными потоками. Постпирогенные сукцессии лесных экосистем зависят от закрепления зольных элементов в почве и типа пожаров. После низовых пожаров малой интенсивности лесные экосистемы восстанавливается через 50 лет (Michalzik B, Martin S, 2013), а после верховых — значительно дольше.

Дополнительную информацию об изменениях свойств и специфики постпирогенных процессов почвообразования дает исследование микро- и субмикромор-фологического строения почвы, сопровождающееся определением химического состава снимаемого объекта. Целью работы является установление признаков трансформации почв под влиянием верховых и низовых пожаров и их влияния на постпирогенные сукцессии почв.

Объекты и методы. Исследовались почвы сосновых лесов на песчаных озерноречных террасах Селенгинского дельтового района Прибайкалья. Почвенные разрезы закладывались под лесом без признаков пожара и на территориях, пройденных верховым и низовым пожарами 15 лет назад. Морфологическое описание почвенных разрезов выполнено в соответствии с разработками Б. Г. Розанова (2004). Гранулометрический состав определялся методом Н. А. Качинского (Теория и методы..., 2007), химические и физико-химические свойства определены общеприня- тыми методами (Теория и практика…, 2006). Основные задачи, касающиеся строения органического вещества и минеральной части почв решались с помощью микро- и ультрамикроморфологического методов (Герасимова и др., 1992; Парфенова, Ярилова, 1977; Ромашкевич, Герасимова, 1982; Interpretation of micromorphological…, 2010; Smart, Tovey, 1982). Микроморфологическое строение почвы в тонких шлифах исследовалось на поляризационном микроскопе Полам– Р312. На сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) TM-1000 фирмы Hitachi (разрешение 30 нм) с рентгеноспектральным анализатором SwiftED-TMX, определяющего минимально 10-16 г элемента с чувствительностью 10-2 %, исследовалось строение и качественный химический состав поверхности почвенных частиц.

Результаты и обсуждение

Морфологическое строение почв

Псаммоземы и дерново-подбуры в Селенгинском дельтовом районе занимают озерно-речные террасы, покрытые сосновыми лесами (Гынинова, Корсунов, 2006; Дыржинов и др., 2014). В лесу без видимых признаков пожара (обгорания коры, наличия угля в подстилке) заложен разрез 15-11Д. Древостой имеет высоту 25-30 м, сомкнутость крон — 0,7-0,8, характерен обильный подрост. Напочвенный покров бруснично-лишайниковый с проективным покрытием ~ 20%. Профиль почвы состоит из горизонтов О(0-4)-Wе(4-9)-C"f(9-33)-С1"f(33-70)-С2"(70-110). Степень разложенности в основном хвойного опада, образующего лесную подстилку, в верхней части слабая, в нижней — высокая, цвет серовато-темно-бурый (10YR, very dark grayish brown 3/2) с белыми плесневидными образованиями грибного мицелия. Горизонт Wе имеет светло-буровато-серую окраску (10YR, light brownish gray 5/2), небольшую мощность, агрегирован слабо. Прослеживаются признаки оподзоливания в виде отмытых зерен первичных минералов, осветленных участков и вертикальных полос — путей миграции кислых растворов, проникающих в подгумусовый горизонт. Под горизонтом Wе песчаная порода местами прокрашена в охристые тона (7,5YR, reddish yellow 6/6).

На участке, пройденном низовым пожаром, лес редкостойный, подрост и кустарниковый ярус отсутствуют. Высота древостоя ~ 25 метров, кора стволов в нижней части повреждена пожаром. Напочвенный покров травянистобрусничный с очень неравномерным проективным покрытием (0-15 %). Почвенный профиль приобрел строение O(0-1)-Opir(1-2)-AYpir(2-8)-C"f(8-37)-C1"(37-60)-С2"(60-112). Лесная подстилка состоит в верхней части из неразложившего-ся, в основном хвойного опада и обугленного черного (10YR, dark grayish brown 4/2) — в нижней. На контакте с минеральной частью — грибной мицелий. В горизонте АYpir серовато-бурого цвета (7/5YR, brown 5/2), при рассмотрении под бинокулярным микроскопом обнаруживаются многочисленные включения обугленных растительных остатков. Разложение опада с участием грибного мицелия ведет к восстановлению кислой реакции среды и активизации нисходящей миграции растворов гумуса и железа. Такая смена сукцессионных стратегий, очевидно, активизирует развитие альфегумусового процесса и образование горизонта Вf со светлой охристо-бурой окраской (7,5YR, light brown 6/3). Почвообразующая порода имеет признаки, близкие соответствующим горизонтам фоновой почвы р. 15-11Д.

Через 15 лет после полного выгорания растительного покрова и органического вещества почвы при верховом пожаре на гари образовались прерывистый ли- шайниковый напочвенный покров с включением брусники, травянистых растений и зеленого мха с проективным покрытием ~ 5% и слаборазвитая почва с профилем Wpir(0-1)-Bf(1-8)-C"(8-41)-C1"41-102. В маломощном горизонте Wpir темно-серовато-бурой окраски (7,5YR, dark grayish brown 4/2) отмечается включение угольков. Ниже горизонта Wpir признаки почвообразования затухают и проявляются лишь в слабой прокрашенности песчаной породы до глубины 8 см в буроватый цвет (7,5YR, light brown 6/3), что позволяет выделить горизонт Вf.

Таким образом, исследование морфологического строения почв сосновых боров озерно-речных террас Селенгинского дельтового района показало, что почвы под негорелым лесом, согласно Полевому определителю (Полевой определитель…, 2008), относятся к типу псаммоземы гумусовые, подтипу оподзоленные. В результате пожаров и последующего развития в течение 15 лет строение профилей почв изменилось. После низового пожара под пологом сохранившегося древостоя образовались горизонты О, Оpir, АYpir, Вf, что является отличительной чертой дерново-подбуров пирогенных углистых после низового пожара. После верхового пожара мощность гумусового горизонта почвы составляет всего 1 см и сменяется переходным горизонтом C "' f, обнаруживая ее принадлежность к типу псаммоземы гумусовые, подтипу пирогенные иллювиально-ожелезненные.

Физико-химические свойства почв

Исследованные псаммоземы имеют связнопесчаный состав (табл. 1), отличающийся высокой степенью сортированности с преобладанием фракции мелкого песка. В поверхностных горизонтах отмечается накопление пылеватых фракций, что связано с особым характером выветривания в континентальных областях. Содержание илистой фракции весьма низкое, при этом небольшой максимум во всех исследованных разрезах приурочен к средней части профиля, обнаруживая нисходяшую миграцию веществ.

Реакция среды в почве под негорелым лесом кислая (табл. 2), после низового пожара — становится менее кислой, а после верхового пожара — более кислой. Аналогично сумма обменных оснований увеличивается после низового пожара и уменьшается после верхового. Причина указанных различий может заключаться в сорбции зольных элементов углистым веществом, образовавшемся в большом количестве при низовом пожаре.

Таблица 1 Гранулометрический состав почв сосновых боров

Горизонт, глубина, см	Содержание фракций, % (размер частиц, мм)
	1,0 0,25	0,250,05	0,050,01	0,010,005	0,0050,001	<0,001	<0,01	название
Разрез 15-11Д Псаммозем гумусовый оподзоленный (без признаков пирогенеза)
We (4-9)	7,94	71,90	10,95	2,18	3,72	3,31	9,21	Песок связный
C ‘‘ f (9-33)	10,10	68,63	11,66	2,46	3,45	3,70	9,61	Песок связный
C1”f (33-70)	8,48	77,02	5,19	2,79	1,31	5,21	9,31	Песок связный
C2-(70-110)	11,49	80,86	4,08	0,42	0,48	2,67	3,57	Песок рыхлый

Разрез 13-11Д Дерново-подбур пирогенный (после низового пожара)
АYpir (2-8)	11,63	63,70	15,76	2,24	4,55	2,12	8,91	Песок связный
Вf (8-37)	13,81	67,77	8,84	1,82	4,88	2,88	9,58	Песок связный
С1 “(37-60)	26,53	65,27	2,92	0,98	0,40	3,90	5,28	Песок рыхлый
С2" (60-112)	25,32	69,40	2,26	0,08	0,22	2,72	3,02	Песок рыхлый
Разрез 14-11Д Псаммозем иллювиально-железистый пирогенный (после верхового пожара)
Wpir (0-1)	12,64	67,85	11,29	2,34	3,78	2,10	8,22	Песок связный
C-f (1-8)	11,99	76,67	1,35	3,46	3,36	3,17	9,99	Песок связный
С1-(8-41)	15,15	71,81	6,58	1,38	1,92	3,16	6,46	Песок связный
C2 "(41-102)	17,37	71,61	3,48	0,04	1,02	2,48	3,54	Песок рыхлый

Таблица 2

Физико-химические свойства почв сосновых боров

Горизонт, глубина, см	рН KCl	Гумус, %	Запасы гумуса, т/га		Обменные основания		Гидролитическая	ЕКО	СНО, %
					Са2+  Mg2+		Н+
			а	б	мг·экв/100г почвы
Разрез 15-11 Д (Сосновый лес, без признаков пи							рогенеза)
О(0-4)	4,8	15,0*	-	-	6,2	3,1	48,1	57,4	16
We (4-9)	4,8	1,7	10,4	16,8	3,1	1,2	3,5	7,8	55
C"f (9-33)	4,9	0,03	1,0		2,2	0,2	1,8	4,2	56
C1"f (33 70)	5,1	0,09	4,6		2,1	0,8	1,2	4,1	70
C2"(70-110)	5,1	0,02	0,8**		1,7	1,0	1,0	3,7	73
Разрез 13-11Д (Сосновый лес, пройденный низовым пожаром)
O (0-1)	4,6	64,2*	-	-	6,0	1,2	44,9	52,1	13
Opir (1-2)	5,0	62,4*	-	-	6,0	0,5	19,1	25,6	25
АYpir (2-8)	5,1	3,4	21,8	66,4	5,0	0,6	4,4	10,02	55
Вf (8-37)	4,7	0,41	19,1		1,6	0,3	2,7	4,6	40
C" (37-60)	4,9	0,55	19,9		1,6	0,3	1,2	3,1	61
C - (60-12)	5,3	0,09	5,7**		1,2	1,0	1,0	3,2	69
Разрез 14-11 Д (Сосновый лес, пройденный верховым пожаром)
Wpir (0-1)	4,4	4,4	5,3	28,5	2,0	1,0	6,7	9,7	30
C-f (1-8)	4,8	0,6	5,5		1,6	0,8	2,5	4,9	48
CV (8-41)	4,9	0,2	8,9		1,6	0,6	1,3	3,5	62
C2“f (41 102)	5,1	0,1	8,9		1,7	1,0	0,9	3,6	74

Примечание * — Сорг; **- до 1 м; Запасы гумуса: а — по горизонтам; б — в слое 1 м

Содержание органического вещества в подстилке и гумуса в аккумулятивном горизонте псаммозема гумусового оподзоленного невысокое. В аналогичных горизонтах дерново-подбура, эти показатели значительно выше, а в псаммоземе гумусовом иллювиально-ожелезненном содержание гумуса в маломощном горизонте Wpir — наибольшее среди исследованных почв. Запасы гумуса в метровом слое самые низкие в почве негорелого леса. В пирогенных почвах этот показатель возрастает: после верхового пожара — в 1,7 раз, а после низового — в 4 раза.

Поглотительная способность и степень насыщенности почв основаниями очень низкие. На этом фоне почва, измененная низовым пожаром, благодаря углистому веществу, отличается лучшими показателями. Позитивный характер изменений физико-химических свойств, является одной из причин активного возобновления сосновых лесов в Байкальском регионе после низовых пожаров (Платонова, Иванов, 2014). Отмечая улучшение свойств почв после низовых пожаров, ряд авторов рекомендует проводить профилактические выжигания (Федоров, Тарасов, 2013; Kumar V et. al., 2013; Poirier V et. al., 2014).

Микроморфологическая диагностика

Исследование физико-химических свойств позволяет предполагать особую роль углистого вещества в постпирогенном развитии почв. С целью выявления указанных особенностей было исследовано микро- и субмикроморфологическое строение разлагающейся хвои из подстилки негорелого леса и из углистой подстилки, образовавшейся после низового пожара. Полученные данные свидетельствуют о том, что морфологическое строение хвои после пожара в основном сохраняется (рис. 1 а, б).

Рис. 1. Микроморфологическое строение органического вещества почв. а — Псаммозем гумусовый оподзоленный (Р. 15–11): горизонт О, разлагающаяся хвоя; б — Дерново-подбур пирогенный углистый (Р. 13–11): горизонт Оpir; хвоя почерневшая при пожаре;

Данные полученные при исследовании поверхности хвои на СЭМ обнаруживают значительные различия в строении поверхности хвои. Поверхность разлагающейся хвои псаммозема оподзоленного темно-бурого цвета заселена грибной микрофлорой (рис. 2. а).

Рис. 2. Субмикроморфологическое строение органического вещества почв.

а — Псаммозем гумусовый оподзоленный (Р. 15-11Д): горизонт О, поверхность разлагающейся хвои; б — Дерново-подбур пирогенный (Р. 13-11Д): горизонт Оpir; поверхность обуглившейся хвои;

Поверхность обуглившейся хвои из углистого слоя дерново-подбура (рис. 2. б) покрыта сорбированными дисперсными, частицами, размером 1-10 мкм. Аналогично на поверхности разлагающегося лишайника наблюдается сорбция дисперсных частиц. Полученные данные позволяют предполагать повышенную сорбционную способность поверхности обуглившейся хвои, по сравнению с поверхностью хвои, гумифицирующейся в процессе почвообразования. Эти свойства обуглившихся частиц органического вещества, очевидно являются причиной некоторого снижения кислотности в горизонтах Оpir и AYpir в почве после низового пожара и повышенное содержание обменных оснований.

Выводы

• 1.    Псаммоземы гумусовые оподзоленные — широко распространенный тип почв сосновых лесов в Прибайкалье. Слаборазвитый гумусовый горизонт псам-моземов отличается невысокой поглотительной способностью, очень низкими запасами гумуса и кислой реакцией среды.

• 2.    Послепожарное развитие псаммоземов зависит от интенсивности и типа пожаров, определяющих степень сохранности растительного покрова и количество образовавшегося углистого вещества в почве. Углистое вещество, обладая сорбционной способностью и препятствуя выносу зольных веществ, образовавшихся во время пожаров, выступает как фактор почвенных сукцессий.

• 3.    Присутствие углистых веществ является общей чертой твердой фазы органогенных горизонтов исследованных почв. В гумусовых горизонтах псаммозема оподзоленного углистые вещества немногочисленны, а в почве, трансформированной низовым пожаром, через 15 лет отмечается большое количество углистого материала не только в гумусовом горизонте, но и в виде углистого прослоя.

• 4.    Поверхность потемневшей, разлагающейся без пожарного воздействия, хвои, заселена грибной микрофлорой, а обуглившиеся хвоя через 15 лет после пожара покрыта дисперсными сорбированными частицами.

• 5.    После низовых пожаров, через 15 лет, благодаря большому содержанию углистых веществ, их сорбционной способности, почва сохраняет относительно повышенное содержание кальция и запасов гумуса. Поглотительная способность и сумма обменных оснований этой почвы выше, чем в нативной почве, а реакция среды менее кислая.

• 6.    После верхового пожара образуется примитивный почвенный профиль со слаборазвитым, маломощным (1 см), пронизанным грибными гифами аккумулятивным горизонтом Wpir, отличающимся среди исследованных почв наиболее кислой реакцией и наименьшей насыщенностью основаниями.

• 7.    Для исследованных псаммоземов характерны вторичные послепожарные сукцессии: дерново-подбуры углистые пирогенные после низового пожара и псаммоземы гумусовые иллювиально-ожелезненные пирогенные после верхового пожара.

Работа выполнена в рамках темы 0337-2017-0002, № госрегистрации АААА-А17-117011810038-7.