Постпирогенная дифференциация свойств ареносолей в сосновых лесах Западного Забайкалья

Пожары являются одним из ведущих факторов динамики и функционирования бореальных лесов [Фуряев, Самсоненко, 2011; Flannigan et al., 2013]. В последние десятилетия во многих регионах Сибири на фоне усиления аридизации климата их рост вызвал нарушенность и деградацию лесов с уменьшением лесопокрытой площади [Швиденко, Щепаченко, 2013; Kharuk et al., 2021; Иванов, Евдокименко, 2017].

При пожарах почвы попадают в зону высокотемпературного влияния, а после воздействия огня становятся аккумуляторами продуктов горения биомассы и хранителями следов пирогенного воздействия на экосистему. В связи с этим при исследовании последствий пожаров в них учитываются разнообразные послепожарные изменения, представленные в работах как трансформации почвенных свойств или процессов. Это обусловлено тем, что варьирование степени и форм проявления прямого и косвенного пирогенного воздействия на почвы во многом определяет их морфологическое и морфохимическое разнообразие [Чевычелов, 2003; Брянин, Костенков, 2012; Dymov, Gabov, 2015; Краснощеков, 2018; Габбасова и др., 2019].

В Западном Забайкалье — регионе с засушливым климатом, активное влияние пирогенного фактора негативно отражается на состоянии сосновых лесов [Евдокименко, 2008]. Выявлено, что почвы территории практически повсеместно трансформированы огнем [Шахматова и др., 2021]. При низовых пожарах в результате пиролиза биомассы нижних ярусов растительности, напочвенного покрова, лесного опада и подстилки в органогенные горизонты почв поступают продукты горения (зола, угли, угольная пыль и др.), синтезированные при высоких температурах. Наличие углей в профиле почв морфологически проявляется в виде темной или почти черной окраски верхних органо-аккумулятивных горизонтов [Bobrovsky, 2019], а также является причиной изменения физических и химических свойств почв.

Целью данной работы было показать различия в свойствах верхних горизонтов почв на гарях для оценки динамики, функционирования почв и их влияния на естественное восстановление лесов в регионе.

Объекты и методы

Исследования проведены в сосновых лесах северных отрогов хребта Цаган Дабан, произрастающих в среднем течении реки Уда в бассейне ее левого притока реки Воровка. Природные условия территории характеризуются резко континентальным климатом, разнородностью рельефа (чередуются горы и межгорные понижения), преобладанием в растительном покрове территории сосновых лесов, разнообразием почв и их сезонным промерзанием. Среднегодовые температуры воздуха составляют –4.2...–5.0 ºС. Среднегодовое количество осадков составляет 250 мм в год. Весна и начало лета характеризуются засушливостью, наблюдаются незначительные осадки и сильные ветры, что приводит к высокой сухости воздуха и почв. Влажность воздуха в этот период не превышает 30–40%, а в отдельные дни составляет 10%. В летний период выпадает до 70–80%, большая часть их приходится на июль–август1. Особенности климата являются одной из основных причин высокой горимости лесов в регионе. Главными факторами возникновения пожаров на этой территории выступают антропогенные источники, такие как лесозаготовки и неконтролируемые выжигания (до 80% возгораний) [Евдокименко, 2011].

Для исследования свойств постпирогенных почв мы выбрали пять пробных площадей (табл. 1). Три площадки располагались на гарях, образованных после низовых пожаров средней интенсивности: на свежей гари, на гари 5-летнего возраста и 10-летней гари. Две другие площадки были расположены на свежих гарях, сформированных низовыми пожарами слабой и сильной интенсивности. Давность пожаров устанавливали по «Книгам учета лесных пожаров», составленным на основе записей лесников Заудинского лесхоза Республики Бурятия.

В исследуемых сосновых лесах определяли интенсивность огня, в почвах проводили профильно-генетический анализ, устанавливали их водопроницаемость, анализировали цвет верхних почвенных горизонтов по шкале Манселла и их физико-химические свойства [Воробьева, 2006; Теории и методы физики... 2007; Цветков, 2006]. Для классификации почв применяли систему WRB1.

Результаты и их обсуждение

Выявлено, что в бассейне реки Воровка практически отсутствуют экосистемы сосновых лесов, не затронутых огнем. Следы от пожаров наблюдались на стволах деревьев, а также в напочвенном ярусе. В зависимости от тяжести и возраста огневого воздействия на пробных площадях они проявлялись в обугливании коры деревьев, их повреждении или усыхании, в появлении опада, вызванного термической гибелью хвоинок, в прогорании подстилки, в частичном или полном сгорании мохово-лишайникового покрова, а также в послепожарной гибели подроста сосны.

В почвенном покрове территории фоновый тип почв представлен Ареносолями (Arenosols), развитыми на покровных полигенетических песках. Общая формула организации профиля: O–Ah–Bw1–Bw2–C.

Анализ морфологических свойств почв показал дифференциацию в верхней части профилей, которая связана с возрастом и силой пожаров.

Так на 10-летней гари хорошо выражен горизонт подстилки, окрашенной в серый цвет (10YR 4/1), в составе которой помимо слаборазложившегося фрагментированного растительного материала преобладают фракции обгорелых веток, коры и хвои. Серовато-бурый (10YR 5/2) гумусово-аккумулятивный горизонт Ah мощностью до 10 см сменяют переходные AhBw1 и серия горизонтов Bw1 и Bw2, окрашенные в буроватые или буровато-охристые тона. Нижний иллювиальный горизонт переходит в почвообразующую породу. В окраске минеральной части профиля почв присутствуют железистые и марганцевые затеки, пятна и примазки, образованные в результате прошлых пожаров.

На 5-летней гари подстилка меньшей мощности переходит в гумусовый горизонт, содержащий включения пирогенной органики, главным образом в виде мелких угольков, и окрашенный в буровато-темно-серые тона (10YR 4/2). Следующий ниже буровато-охристый иллювиальный горизонт отличается большей плотностью, чем в почве на 10-летней гари. Здесь отмечены мелкие и крупные корни растений. Переход в почвообразующую породу постепенный.

Таблица 1

Эколого-географическая характеристика пробных площадей

Возраст гари, интенсивность пожара	Координаты	Тип леса	Состояние пробной площади при полевом обследовании
Свежая гарь, средняя	51°37'51" с. ш., 107°51'18" в. д.	Сосняк мертвопокровный	*^
5 лет, средняя	51°44'07" с. ш., 107°48'26" в. д.	Сосняк злаковоразнотравный	й llj^llpl w№1
10 лет, средняя	51°41'15" с. ш., 107°48'07" в. д.	Сосняк рододендроноворазнотравнолишайниковый
Свежая гарь, слабая	51°37'27" с. ш., 107°51'03" в. д.	Сосняк редкотравный
Свежая гарь, сильная	51°37'30" с. ш., 107°50'55" в. д.	Сосняк мертвопокровный	г^М «ІIm III ' li~'J 1 ІМВІкШчІІ i ll

В верхних горизонтах Ареносолей на свежих гарях после пожаров различной силы выявлены включения в виде большого количества углей и углистой пыли, что формирует темные тона их окраски. Мощность подстилки варьирует и зависит от силы температурного воздействия. После низового беглого пожара слабой интенсивности мощность подстилки практически не отличается от этой характеристики на старых гарях. Она варьирует и составляет 1,3–1,5 см. В компонентном составе подстилки большое содержание старой полуразложившейся хвои и веток, местами обгорелых. На гари после средне- и высокоинтенсивного пожаров горизонт опада, состоящего из свежей хвои, сменяет обгоревшая темно-серая подстилка (10YR 3/1) с большим содержанием углей.

Окраска Ареносолей в гумусово-аккумулятивных горизонтах различна: на старых гарях и после слабоинтенсивного пожара она характеризуется сероватобурыми (10YR 5/2) тонами, а после высокоинтенсивного воздействия очень темной серовато-бурой (10YR 3/2) окраской. Влияние низового пожара средней интенсивности оказало влияние на границу перехода в иллювиальный горизонт. Сразу же после воздействия огня она становится волнистой или кармановидной. В верхней части горизонта Bw1 выявлено послепожарное уплотнение, а также присутствуют мелкие угли и органо-минеральные включения, окрашенные в темно-серые и бурые оттенки (10YR 5/3). В почве, пройденной высокоинтенсивным пожаром, в переходном горизонте Вw1С выявлен послепожарный охристо-бурый морфон, который содержит в нижней его части мелкие разложившиеся угольки и корни растений.

Таким образом, более высокие показания цветности в гумусовых горизонтах почв на свежей гари и после пожара высокой интенсивности обусловлены обугливанием и пиролизом органического вещества, а буровато-охристые оттенки иллювиальных горизонтов — образованием и накоплением оксидов железа при высоких температурах.

В почвах на гарях установлены заметные различия в физических и химических свойствах. Выявлено увеличение показателей плотности сложения и плотности твердой фазы в результате поступления и аккумуляции в верхних горизонтах почв пирогенных углистых частиц после недавнего воздействия огня (табл. 2).

Недавнее высокотемпературное воздействие обусловило низкие показатели гигроскопической влаги верхних горизонтов, а также изменение содержания илистой фракции в гумусовых горизонтах и ее дальнейшее накопление в иллювиальных горизонтах. Это связано с изменением структуры верхних горизонтов, что обусловлено термическим разрушением агрегатов и песчаных зерен. По мере увеличения послепожарного периода характеристики физических и воднофизических свойства меняются, фильтрационные свойства почв улучшаются.

Таблица 2

Физические свойства горизонта Ah в Ареносолях (средние значения)

Возраст гари, интенсивность	Глубина, см	н § о S о о К °	H Cd o^ Щ )S H о о ч R Рч H	bQ cd О О a к	S = s cd О 4^0 ° V u <-	cd cd R В" (5	к и и ст и и m
		г/см3		%
10 лет, средняя	1–5	1,24	2,55	51	5,43	1,45	7,27
5 лет, средняя	1–8	1,38	2,58	47	2,42	0,76	5,27
свежая, слабая	1–5/7	1,35	2,55	48	2,47	1,09	6,49
свежая, средняя	1–4/5	1,45	2,57	44	2,93	0,97	4,95
свежая, сильная	1–5/7	1,48	2,65	45	3,21	0,53	4,53

Согласно проведенному анализу химических свойств почв на гарях заметной дифференциацией характеризуется реакция среды, а также содержание органического вещества и макроэлементов (табл. 3).

Таблица 3

Дифференциация основных химических свойств горизонта Ah в Ареносолях (средние значения)

Возраст гари, интенсивность пожара	Глубина, см	pHн2о	С , г/кг орг	Обменные основания, cmolc/kg		Fe ox , %
				Ca2+	Mg2+
10 лет, средняя	1–5	6,1	13	13,5	5,8	0,48
5 лет, средняя	1–8	6,3	10	16,1	3,6	0,60
Свежая, слабая	1–5/7	6,2	11	10,4	3,3	0,52
Свежая, средняя	1–4/5	6,5	15	19,1	1,1	0,64
Свежая, сильная	1–5/7	6,7	22	21,2	1,5	0,65

Выявленные различия pH водной суспензии, а также содержание обменных катионов, углерода органических соединений и оксалаторастворимого железа в горизонте Ah отражают послепожарную их динамику на гарях. Они позволяют установить, что значительных изменений в свойствах почв на свежей гари, образованной пожаром слабой интенсивности, не происходит и данные показатели близки к свойствам почв на старых гарях, образованных после низовых пожаров средней интенсивности. Увеличение значений pH в почвах сразу же после воздействия низовых пожаров средней и высокой интенсивности являются результатом образующихся щелочных ионов золы при сжигании биомассы. Сравнительно высокие показатели углерода органических соединений, обменного кальция и подвижного железа также выявлены в первый год после средне- и высокоинтенсивного пожара. Увеличение содержания этих параметров объясняется ускоренным разложением сгоревших растительных остатков, изменением элементного состава продуктов горения и активным выделением железа, экстрагируемого оксалатной вытяжкой. По мере старения гари значения изученных параметров снижаются.

Таким образом, постпирогенная дифференциация рассмотренных свойств верхних гумусовых горизонтов Ареносолей на гарях отражает степень проявления пирогенных признаков, обретенных в результате низовых пожаров в разные годы и при различных сценариях влияния огня. Варьирование изученных параметров на гарях и их выявленная положительная динамика дают возможность проследить период восстановления почвенных свойств, который может способствовать успешному прорастанию семян и выживанию подроста в ювенильной стадии развития.

Заключение

В Ареносолях, развитых в почвенном покрове под сосновыми постпирогенными лесами в Западном Забайкалье, установлены различия в морфологических, физических и химических показателях верхних горизонтов Ah в результате низовых пожаров.

Проведенные исследования на свежих гарях выявили наличие пирогенных признаков в свойствах подстилки и в морфологическом строении верхних горизонтов почв. Более заметные пирогенные следы отмечены в первый год после пожара высокой интенсивности, где установлены низкие значения мощности органогенных горизонтов, их большая уплотненность и темное окрашивание за счет значительной доли недавно поступившего пирогенного органического вещества.

В почвах, недавно пройденных пожарами средней и высокой интенсивности, показатели плотности сложения и плотности твердой фазы отличаются от аналогичных параметров на старых гарях, а также на гарях после пожаров слабой интенсивности. Низкие значения мощности гумусовых горизонтов, общего объема порового пространства и снижение фильтрационной способности почв сразу после пожаров обусловлены ухудшением водно-физических характеристик в результате нарушения структуры почвенных агрегатов, образования корки на поверхности почвы и проникновения в поры мелкодисперсных продуктов горения органического вещества. Связанные с этими показателями значения реакции среды, углерода органических соединений, обменных оснований и оксалаторастворимого железа также варьируют, как на разновозрастных гарях, так и в почвах после пожаров различной интенсивности.

Наши результаты демонстрируют, что дифференциация в представленных почвенных свойствах служит доказательным инструментом для индикации интенсивности пожаров, а также оценки их возраста. Учитывая показатели исследуемых параметров почв при проведении почвенно-экологического мониторинга в регионах с засушливым климатом, можно проследить скорость восстановления свойств Ареносолей в послепожарный период и их лесовосстановительный потенциал.