Полициклические ароматические углеводороды в почвах, пройденных верховым и низовым пожаром

пожарами ежегодно повреждаются значительные площади, что рассматривается как один из глобальных факторов поступления ПАУ в окружающую среду. Кроме того, в мировой литературе содержатся многочисленные данные лабораторных экспериментов о возможности образования ПАУ из компонентов растительности, причем условия горения (температура, доступ кислорода) и тип растительности существенно влияют на количество и состав образующихся соединений. Более подробный обзор по этому вопросу приведен в работе Цибарт, Геннадиева (2011) [11].

Вместе с тем характер аккумуляции пирогенных ПАУ в ландшафтах, в особенности, в почвах, как депонирующей среде, практически не изучен. Отдельные публикации посвящены исследованию ПАУ в различных по генезису почвах, пострадавших от пожара [8, 13, 14, 15, 21]. Но до сих пор в литературе недостаточно данных о составе, количестве и распределении в почвах полиаренов, поступающих при природных пожарах. Поэтому весьма актуальным представляется исследование различий верхового и низового пожара как источников этих соединений в ландшафтах.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Одним из наиболее опасных воздействий на биогеоценозы являются пожары, влекущие за собой как обратимые, так и необратимые последствия.

Природные пожары являются наиболее опасным экзогенным нарушением в естественных экосистемах России. Особенности климатических изменений последних десятилетий существенно усиливают угрозу возникновения и распространения разрушающих природных, особенно лесных, пожаров. Существенно увеличивается изменчивость погоды, выражающаяся в чередовании периодов с ливневыми осадками и длительных теплых и сухих периодов, иногда с аномаль- ной жарой, как летом 2010 г. в центре Европейской России. Такая специфика создает угрозу возникновения и распространения на большие площади природных, в первую очередь, лесных пожаров высокой интенсивности, так называемых катастрофических пожаров.

Вообще, лесные пожары – нормальное явление, повторяющееся с различной периодичностью. Однако, катастрофические пожары 2010 года привели к уничтожению растительности и верхней части почв на огромных пространствах России [3]. В июле-августе на территории Российской Федерации возникло 34,8 тыс. лесных пожаров, которыми пройдено 2,0 млн. га лесной площади. Это стало глобальной экологической катастрофой.

В значительной степени были затронуты городские леса г. Тольятти Самарской области: летом 2010 года огнем уничтожено около 1,5 тыс. (20-25%) из 8475 га городских лесных насаждений. Это стало локальной экологической катастрофой, поскольку полностью изменило функционирование лесных экосистем [6].

Сохранившиеся лесные участки в настоящий момент представляют собой своеобразные резерваты для всего живого, являясь тем источником, из которого начинается заселение выгоревших территорий [10]. В лесах, пройденных низовым пожаром, древесный ярус уцелел, однако огонь разной степени интенсивности повредил стволы деревьев, что ослабило их жизненность и в дальнейшем приведет к постепенному выпадению, однако именно древесные растения являются це-нозообразователями и определят в будущем ход восстановительных сукцессий. В большей степени пострадал травяной и кустарниковый ярусы. В лесных сообществах, пройденных верховым пожаром, древесно-кустарниковые насаждения выгорели полностью, равно как травяной и кустарниковый ярусы, и здесь начались спонтанные постпирогенные сукцессии [13].

Объектом исследования являются степные островные сосновые боры в районе г. Тольятти Самарской области, которые подверглись воздействию катастрофических лесных пожаров в 2010 г. Островные сосновые боры формируются на песчаных и супесчаных отложениях эолового или аллювиального происхождения в суббореальном климате. В данном районе формируются серогумусовые супесчаные почвы на древних аллювиальных волжских песках, которые относятся к отделу органно-аккумулятивных почв (по Классификации и диагностике почв России [12]). Эти почвы существенно отличаются от текстурнодифференцированных и аккумулятивногумусовых почв, доминирующих в Самарской области [1]. Это связано со спецификой литологического строения региона, где сосновые боры приурочены к легким по гранулометрическому составу почвам, формирующимся на эоловых и древнеаллювиальных отложениях [2, 9]. В пределах ареалов распространения песчаных и супесчаных пород описаны серогумусовые почвы и почвы с признаками иллювиирования железистогумусовых комплексов без формирования подзолистого горизонта. Такие почвы существенно менее устойчивы ко всем видам антропогенного воздействия, включая рекреационное и пирогенное.

Для сравнения влияния разных видов пожаров на почвы были заложены разрезы на трех ключевых участках: участке низового пожара (конец июля 2010 г.), участке верхового пожара (конец июля 2010 г.) и на незатронутом пожаром участке (контроль). Особое внимание уделялось мезорельефу выбираемых участков. Были выбраны участки в верхних, средних и нижних частях югозападных склонов дюнных повышений. На всех участках исходная растительность была сходной – средневозрастной сосняк.

Отбор образцов для анализа ПАУ проводился спустя два года после пожара. В 2012 г. всего заложено 10 почвенных разрезов и на содержание ПАУ проанализировано около 50 почвенных образцов.

Для определения содержания ПАУ в образцах почв применялся спектрофлуориметрический анализ при низких температурах (спектроскопия Э.В. Шпольского) [4]. Приборной базой служил спектрофлуориметр «Fluorolog-3-22» фирмы «Jobin Yvon». Образцы почв, растертые до 0,25 мм, экстрагировали хлороформом, затем экстракт переводили в н-гексан и полученный экстракт замораживали в жидком азоте. Далее смесь ПАУ в замороженном экстракте облучали светом с длиной волн, оптимальной для каждого соединения, после чего регистрировали спектр люминесценции ПАУ. Образцы анализировали на содержание 14 распространенных индивидуальных соединений, имеющих от 2 до 7 бензольных колец: нафталин, фенантрен, хризен, пирен, антрацен, тетрафен, бенз(а)пирен, бенз(ghi)перилен, флуорен, дибензтиофен, перилен, бенз(е)пирен, бенз(к)флуорантен, коронен. Для количественной оценки содержания ПАУ использовался стандарт SRM 2260a.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Постпирогенные серогумусовые почвы претерпели ряд изменений в пределах почвенного профиля. Эти изменения наиболее заметны в верхних горизонтах почв. Особенно активны процессы потери гумуса при выгорании подстилки и верхнего гумусового горизонта.

Лабораторные исследования подтвердили факт дегумификации почв при пожаре и показали, что в результате низового пожара, при котором происходит полное выгорание подстилки и верхнего горизонта, наблюдаются более интенсивные потери гумуса. Потеря органического вещества яв- ляется не только результатом механических явлений выноса мелкозема или выгорания, но и потерей важнейшего компонента лесных биогеоценозов – растительности и уменьшения ее продуктивности. Через год после пожара наблюдаются процессы иллювиирования темноокрашенного органического вещества вниз по профилю.

Кроме того, влияние пожара на почвы сопровождается сдвигом кислотности водной вытяжки в сторону нейтрализации. Из аналитических данных следует, что в верхних горизонтах почв огнищ значительно уменьшается кислотность (7,98,0), и реакция среды выгоревших подстилок характеризуется как щелочная, тогда как нижние горизонты имеют реакцию, близкую соответствующему горизонту ненарушенной лесной почвы (5,7-5,9 – слабокислая). Различий в изменении рН при верховом и низовом пожарах не наблюдается.

Спустя год после пожара рН среды выгоревших подстилок выравниваются и по своим абсолютным величинам приближаются к контрольным. Это явление вполне объяснимо – дождевые и талые снеговые воды выносят растворимые компоненты золы довольно полно за 1 год, т.е. произошел довольно полный вынос щелочных элементов из золы в местах пожаров. Кроме того, это, возможно, связано и с поступлением кислых продуктов с растительным опадом на следующий год после пожара.

По гранулометрическому составу изученные почвы относятся к классу супесчаных. Характер механического состава мелкозема обусловлен свойствами почвообразующих пород. На всех трех участках преобладающей фракцией является мелкий песок (50-75%). Содержание частиц < 0,01 мм составляет 9-16%. Следует отметить, что для всех изученных почв характерно облегчение гранулометрического состава вниз по профилю, что связано с характером почвообразующих пород – древние аллювиальные волжские пески.

Наблюдаются изменения и в составе, количестве и характере распределения по почвенному профилю полиаренов при воздействии лесных пожаров. В верхних горизонтах почв суммарные концентрации 14 ПАУ в пределах исследуемого участка изменяются в пределах от 4 до 29 нг/г. В целом, такие концентрации можно считать относительно низкими. Так, в российской практике, нормируется только одно соединения из группы ПАУ – 5-ядерный бенз(а)пирен, его ПДК в почвах составляет 20 нг/г [5]. В почвах, пройденных пожарами, его количества не превышали 0,1 нг/г. Эти уровни соответствуют уровням накопления ПАУ в пирогенных почвах других районов [7, 14]. Кроме того, исследованные серогумусовые почвы имеют супесчаный и песчаный гранулометрический состав, что не способствуют сорбции и аккумуляции поступающих после пожара полиаренов.

Вместе с тем, некоторые различия отмечаются в почвах, пострадавших от низового и верхового пожаров. Так, сумма 14 ПАУ в почвах верхового пожара меняется от 4 до 17 нг/г в верхних горизонтах. При этом основными компонентами являются 2-ядерный нафталин (4-8 нг/г) и 3-ядерный фенантрен (до 9 нг/г) в верхнем горизонте, по всему профилю встречается 4-ядерный пирен. Более тяжелые 4-6-ядерные соединения бенз(а)пирен, бенз(е)пирен, перилен, тетрафен встречаются в почвах единично в количестве около 1 нг/г. Чаще всего, они приурочены к горизонтам Apir и AY, реже к – AC.

Несколько большее накопление отмечается в почвах низового пожара – 4-29 нг/г в верхнем горизонте. При этом преобладающими соединениями являются также нафталин и фенантрен. Нафталина содержится от 2 до 10 нг/г в горизонтах А и А pir, фенантрена – от 1 до 16 нг/г. В почвах низового пожара встречаются также 4-6-ядерные ПАУ: бенз(а)пирен, бенз(е)пирен, бенз(ghi)перилен, бенз(к)флуорантен, тетрафен – чаще всего в количествах не превышающих 1 нг/г. Больше всего их обнаруживается в горизонте Аpir в почве аккумулятивной позиции.

В целом, согласно лабораторным экспериментам сгорание хвойной древесины способствует большему образованию ПАУ по сравнению с горением травянистых видов и древесины лиственных пород. При этом продуктами неполного сгорания хвойной растительности являются, главным образом, 2-3-ядерные соединения, но часто в состав могут входить и 4-6-ядерные ПАУ, образующиеся из смолистых компонентов [18, 19, 20]. В исследованном случае преобладающими компонентами также были 2-3-ядерные соединения, а более тяжелые компоненты присутствовали в малых количествах, но общее содержание ПАУ в почвах было достаточно низким. Вероятно, значительная часть соединений может выноситься с формирующимися при пожаре мощными потоками воздуха. Кроме того, природные пожары характеризуются свободным доступом в зону горения, что является фактором, ограничивающим продуцирование ПАУ [17]. Вероятно, несколько большее накопление полиаренов в почвах в случае низового пожара объясняется тем, что такой пожар проходит ближе к поверхности почвы. При верховом пожаре активнее может происходить удаление ПАУ с восходящим воздухом, меньшее количество этих соединений попадает в почвы.

Необходимо отметить, что имеет значение ландшафтно-геохимическая позиция участка. Так, на участке низового пожара на склоне дюнного повышения суммарно содержится 4-5 нг/г, в то время как в аккумулятивной позиции 29 нг/г, а на вершине – около 20 нг/г (рис.1). При этом тяжелые соединения в почве вершинной части дюны практически отсутствуют.

Рис. 1. Суммарное содержание 14 ПАУ: а) в почвах вершин дюнных повышений;

б) в почвах склонов; в) в почвах понижений

На участке верхового пожара эта особенность выражена менее заметно. Горизонты Аpir склоновой почвы содержат около 14 нг/г, в то время как почвы вершинной позиции – около 17 нг/г. Минимальными в этом случае является содержание ПАУ в аккумулятивной позиции.

Перемещение ПАУ в пределах ландшафтногеохимических профилей в большинстве случаев может происходить в сорбированном на поверхности почвенных частиц состоянии. Миграция ПАУ с водными растворами выражена слабее, так как эти соединения обладают низкой растворимостью. Активизация их переноса может быть связана с развитием эрозии в первое время после по- жара и переносом вещества с механической миграцией.

В горизонтах О контрольного участка суммарное содержание ПАУ изменяется в пределах 6-16 нг/г в зависимости от положения в рельефе. С глубиной содержание их снижается и в горизонтах С составляет не более 4 нг/г. В целом, в почвах контрольного участка содержится заметно меньше легких ПАУ по сравнению с почвами пожарищ. Количество нафталина не превышает 5 нг/г, количество фенантрена – 7 нг/г. Вместе с тем, 4-ядерный пирен и бенз(а)пирен обнаружены практически во всех почвах контрольного участка 66

Рис. 2. Состав ПАУ в верхних горизонтах почв вершинных частей дюн:

а) в горизонте О контрольного участка;

б) в горизонте Apir участка верхового пожара;

в) в горизонте Apir участка низового пожара

(пирен – до 2,5 нг/г, бенз(а)пирен – до 1 нг/г). Их доля в составе ПАУ выше, чем в почвах пожарищ (рис. 2).

Это может быть связано с относительно близким расположением к автодороге, являющейся локальным источником тяжелых ПАУ, в то время как прохождение пожара приводит к накоплению в профилях почв наиболее легких соединений – нафталина и фенантрена.

ВЫВОДЫ

В супесчаных серогумусовых постпирогенных почвах происходит потеря органического вещества и подщелачивание мелкозема верхнего горизонта.

В целом после прохождения пожаров в степных островных сосновых борах ПАУ накапливаются в почвах слабо в связи с легким гранулометрическим составом серогумусовых почв.

При воздействии верхового пожара ПАУ аккумулируются в почвах слабее по сравнению с низовым пожаром, так как при верховом пожаре более вероятным может быть вынос новообразованных при горении древесины ПАУ за пределы участка.

В пределах ландшафтно-геохимических сопряжений отмечается перемещение ПАУ в аккумулятивные позиции. Почвы склоновых позиций характеризуется минимальным содержанием ПАУ.

Почвы контрольного участка подвержены влиянию автодороги, что выражается в присутствии 4-5-ядерных компонентов. В почвах гарей наиболее активная аккумуляция отмечается для 2-ядерного нафталина и 3-ядерного фенантрена.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ мол-а-вед 12-04-33017 и мол_а 12-0531314 и при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение 8339).