Пути миграции углистых частиц в постпирогенных почвах тайги и тундры в зависимости от особенностей пожара и факторов среды

Миграция углистых частиц может служить ключом к реконструкции распространения и интенсивности горения современных пожаров. Важным понятием для описания миграции углистых частиц является понятие антракомассы. Антракомасса или концентрация углистых частиц в почве – это совокупная масса углей, погребенная в почвенном профиле. Также антракомасса может быть определена в отдельном почвенном горизонте или, например, под- стилке. Данные о путях миграции продуктов пожара помогают оценить степень влияния пирогенного события на эрозию почвенного покрова; в комбинации с дендрохронологическим методом помогают выявить несколько пирогенных событий, наложенных друг на друга (по возрасту шрамов от пожаров), а с использованием метода сухого просеивания позволяют определить концентрацию антракомассы в почвенном профиле (Carcaillet, Thinon, 1996). Интенсивность пожара определятся температурой горения, что напрямую отражается на повреждениях растительности. В зависимости от температуры горения значительно меняется состав растительных сообществ, химические и физические свойства почв (Certini, 2005). Исследования путей миграции углистых частиц представляется автору актуальным направлением исследований пирогенеза.

Устойчивость к внешним воздействиям, наряду с хорошей сохранностью анатомической структуры углей (Scott, 2009) , дает возможность определять состав пород на момент пожара (Бобровский, 2010; Jones et al., 1991; Scott, Jones, 1991; Scott, 2000a) . Благодаря современным возможностям мониторинга пожаров (Геосервис “Сканэкс”, https://fires.ru/) появилась возможность связать возраст пожара с глубиной проникновения углистых частиц в почвенный профиль. Почвы, в отличие от осадочных пород, обладают особенным, палимпсестовым типом записи информации (Таргульян, 2019) . Такой тип записи, в отличие от книгоподобного в осадочных породах, характеризуется стиранием (полным или частичным) предыдущего этапа функционирования почв и наложению поверх него нового.

В работах, посвященных теме миграции углистых частиц, делается упор на характерные почвенные морфоны, такие как углистые прослои (Чевычелов, 1997) или угли в пахотном слое и характерные образования от вывалов (Бобровский, 2010; Bobrovsky et аl., 2018). В статье сделана попытка описать закономерности путей миграции углей вне морфонов так как в почвах может не быть вывалов, заполненных углистыми частицами, пахотного горизонта со следами подсечно-огневого земледелия, пирогенных (с высокой концентрацией продуктов горения) горизонтов. Для прогноза закономерности миграции углистых частиц требуется учи- тывать такие факторы: климат, изменение параметров почвы продуктами горения, интенсивность пожара, в частности температуру горения, видовой состав древесных пород, размеры углистых частиц.

Климат влияет на миграцию продуктов после оголения почвенного покрова – через послепожарную эрозию, вызванную осадками и ветром. Масса углей (антракомасса), эродированных вместе с верхним почвенным слоем в понижениях рельефа всегда выше, чем на повышенных участках (Moody, Martin, 2001; Shakesby, Doerr, 2006) . Это обуславливает поиск углистого материала не только в автоморфных позициях, но и в днищах оврагов, пересохших руслах и других аккумулятивных формах рельефа для формирования полной картины распределения продуктов пожара.

Отдельную группу продуктов пожара составляют ароматические вещества, влияющие на изменения гидрофобных свойств почвы (Дымов и др., 2015; Sander, Pignatello, 2005; Bodí et al., 2011) . Заболачивание, возникающее после особо интенсивных пожаров, обуславливает перенос углистых частиц на значительное расстояние от эпицентра пирогенного события (Clark, Patterson, 1997) .

Другим фактором выступает видовой состав деревьев, который может повлиять на полноту сгорания. В результате действия высокой температуры происходит разрушение части химических связей и изменения функциональных групп, что называется пиролизом (Bustin, Guo, 1999). Установлено, что древесина большинства лесов, к примеру, включает около 70% целлюлозы и 30% лигнина (без учета других составляющих). В течение процесса обугливания лигнин оказывается устойчивей, чем целлюлоза. Так, после вытеснения влаги (110 °С) начинает разлагаться целлюлоза (110–270 °С) с образованием газов и смол. Лигнин же начинает разрушаться только при температуре 400 °С, а с образованием угля – при температуре около 500 °С (Pyne et al., 1996). Таким образом, содержание лигнина в древесине косвенным образом влияет на количество образовавшихся углей. Стоит так же отметить, что, если территория подверглась влиянию нескольких пожаров, то возможно дожигание старых продуктов пиролиза (Certini, 2005). То есть сохранность углей может зависеть от периодичности по- жаров.

Размер углистых частиц также имеет большое значение. Угли большего размера в ряде экспериментов показали лучшую плавучесть, чем более мелкие (Vaughn, Nichols, 1995) . Николс с соавторами (Nichols et al., 2000) выявил, что угли могут перемещаться на значительные расстояния в состоянии суспензии, и смогли объяснить их обилие в некоторых прибрежных морских отложениях.

Картину усложняет тот факт, что в зависимости от типа растительности одна и та же температура горения может вызвать гибель леса и полное его сгорание (ель или сосна), или проявиться только в виде шрамов после пожара (лиственница). Связать уголь с определенным видом растения (за исключением мхов, лишайников и трав) бывает просто, так как уголь в большинстве случаев характеризуется хорошей сохранностью (Scott, 2001) . Есть сведения о сохранении в исходном виде даже лепестков растений (Prior, Alvin, 1983; Lupia, 1995) .

Таким образом, характер растительности напрямую связан со следующим фактором миграции продуктов пожара – размером углистых частиц. Частицы угля от 0.001 до 0.063 мм разносятся ветром как часть дыма (Komarek et al., 1973) и называются дисперсными углистыми частицами. Часто такие частицы в виде маленьких угольных фрагментов образуют листья и тонкие веточки, в результате сожжения верховым/кроновым пожаром. Воздушный тип переноса – наиболее дальний – частицы могут перемещаться на многие километры от места пожара (Clark, 1988) . В зависимости от массы частиц происходит их постепенное оседание, и наиболее тяжелые располагаются ближе к эпицентру (Clark, Patterson, 1997) . По этой причине связать наиболее мелкие частицы угля с определенным пожаром затруднительно.

Угли, имеющие размерность от 0.063 до 0.5 мм, переносятся в основном водными потоками.

Более крупные частицы (> 0.5 мм) часто используются для анализа интервала между пожарами (Clark, Patterson, 1997). Угли самого разного размера могут образовываться при горении кустарничков и подстилки, а не только древесных остатков, что надо учитывать при исследованиях. Взвешенные частицы переносятся в реки, после чего, дойдя по руслу до заболоченного участка, могут сформировать пирогенный слой.

Так как ветром переносится небольшое количество углей размером более 0.063 мм, то их скопление в наибольшей степени указывает на факт локального пожара (Clark et al., 1997) . Это подтверждают исследования ученых, показавших ограниченный радиус распространения макрочастиц углей, по сравнению с другими его размерностями: Nichols et al., 2000; Scott, 2000a; Scott, 2000b.

При застойном увлажнении частицы угля любого размера с течением времени оседают на дно ближайшего водоема или болота. Осев один раз, как показано в опыте Николса и соавторов (Nichols et al., 2000) , он становится малоподвижным и для его дальнейшего переноса требуется течение с большой кинетической силой.

Таким образом, уголь размером от 0.063 мм до 0.5 мм может использоваться для определения региональных пожаров. Уголь > 0.5 мм, при его большом скоплении, – свидетельство локального пожара. Смесь углей разного размера тоже указывает на локальные пожары (Collinson et al., 2007a) .

Другие важные факторы миграции могут определяться особенностями самого пожара. Так, для определения миграции и масштабов распространения огня важно определить тип пожара (верховой, низовой), его интенсивность и учесть особенности местности.

В данной работе предполагается, что в разных природных зонах, в зависимости от типа почв, растительности, интенсивности пожара и параметров климата, характер миграции углей существенно меняется. В зависимости от совокупности факторов среды на момент пожара образуются углистые частицы разного размера, меняется характер их распределения по профилю и место аккумуляции в рельефе. Однако, выделив для каждой природной зоны условия среды, значимо влияющие на миграцию продуктов горения, можно предсказать характер их залегания в профиле.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проходили в трех различных районах. Первый район находился в Печоро-Илычском заповеднике (республика

Коми, Троицко-Печорский район), в подзоне средней тайги. Объекты исследования данного участка находились вверх по течению р. Печоры от поселка Якша. Средняя температура января – -18.2 °С, июля – +16.8 °С, количество осадков 675 мм/год, сумма активных температур 1 600 °С (рис. 1.1) (Семиколенных и др., 2013) .

Рис. 1. Расположение районов исследования на контуре России: 1 – Печоро-Илычский заповедник, республика Коми, подзона средней тайги. 2 – Окрестности п. г. т. Пинега, Архангельская область, подзона северной тайги. 3 – Окрестности г. Новый Уренгой, Ямало-Ненецкий автономный округ, граница подзон северной тайги и южной тундры.

Fig. 1. Location of the study areas on the contour of Russia: 1 – Pechora-Ilychsky Nature Reserve, Komi Republic, middle taiga subzone. 2 – Neighborhoods of the urban village of Pinega, Arkhangelsk region, subzone of northern taiga. 3 – Neighborhoods of Novy Urengoy, Yamalo-Nenets Autonomous region, border of subzones of northern taiga and southern tundra.

Были исследованы подзолистые почвы и буроземы. Данные о восьми разрезах представлены в таблице (табл. 1). Разрезы заложены на террасах р. Печоры. Здесь и далее возраст пожаров посчитан на момент исследования – 2019 г. В данном районе наибольшее влияние на миграцию углей оказали высокая влажность и суглинистый гранулометрический состав почв. Рассмотренные пожары зачастую низовые, слабоинтенсивные.

Таблица 1. Объекты в подзоне средней тайги (данные о возрасте пожаров предоставлены А.А. Алейниковым)

Table 1. Objects in the middle taiga subzone (data on the age of fires provided by A.A. Aleinikov)

Местоположение	Координаты	Тип почвы	Зона обнаружения углей в профиле	Особенности растительности	Возраст пожара	Характер рельефа
Терраса р. Печоры	N: 62°02'11'' Е: 58°58'07''	Подзолистоглеевая типичная	Первые 30 см	Папоротник с маломощной подстилкой и разреженным древостоем	169 лет	Плоский, приствольные повышения
Терраса р. Печоры, русло ручья	N: 62°02'15'' Е: 58°58'40''	Бурозем оподзоленный	Первые 10 см	Разнотравье с бедной подстилкой и плотным древостоем	79лет	Пологий
Терраса р. Печоры,	N: 62°00'03'' E: 58°46'03''	Бурозем грубогумусированный	С поверхности	Разнотравье с бедной подстилкой и плотным древостоем	119 лет	Пологий
Терраса р. Печоры	N: 62°06'08'' Е: 58°24'57''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Ельник-черничник с плотным древостоем	119 лет	Плоский, приствольные повышения

Местоположение	Координаты	Тип почвы	Зона обнаружения углей в профиле	Особенности растительности	Возраст пожара	Характер рельефа
Терраса р. Печоры,	N: 62°06'18'' E: 58°25'22''	Бурозем типичный	Первые 10 см	Ельник-черничник с плотным древостоем, с примесью березы	85 лет	Плоский
Терраса р. Печоры, высокий берег	N: 62°03'54'' E: 58°29'05''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Ельник-черничник с плотным древостоем	Около 50 лет	Плоский, приствольные повышения
Поселок Якша	N: 61°49'12'' E: 56°52'39''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Лишайник с редким древостоем	Около 10 лет	Плоский, приствольные повышения
Поселок Якша	N: 61°49'12'' Е: 46°52'41''	Подзол иллювиальногумусовый	Весь профиль	Зеленомошник с плотным древостоем	Около 15 лет	Пологий

Второй район исследования расположен в Пинежском районе Архангельской области, на территории Пинежского заповедника и окрестностей. Данный район, находится в подзоне северной тайги. Средняя температура января – -14.7 °С, июля – +14.3 °С среднегодовое количество осадков – 570 мм/год, сумма активных температур – 1 305 °С (рис. 1.2).

Необычность объекта исследования связана с распространением гипсового карста (Пучнина и др., 2000) . Почвы были представлены в основном подзолами иллювиально-железистыми. В таблице приведены данные о восьми типах почв (табл. 2). В данном районе на перераспределение углей влияет рельеф и процессы эрозии. Рассмотренные пожары – низовые и верховые, разной интенсивности.

Третий район исследований расположен на севере Западной Сибири (Надымский район, Тюменская область, ЯНАО) в пределах северной границы распространения северной тайги (рис. 1.3), в краевой части III озерно-аллювиальной равнины р. Надым, на междуречье Хейгияха – Левая Хетта. Средняя температура января – -23.0 °С, июля +13.5 °С, продолжительный зимний период, количество осадков варьирует от 450 до 650 мм в год, сумма активных температур < 800 °С.

Также было заложено несколько разрезов около поселка городского типа Заполярный (Надымский район, Тюменская область, ЯНАО) в тундровой зоне. Средняя температура января – -26.6 °С июля – +10.5 °С. Количество осадков – 519 мм/год (рис. 3). Поблизости пролегал газопровод, что стало причиной заболачивания. Всего было заложено 6 разрезов. На каждом участке заложено по 2–4 разреза у трубы, где сезонно-талый слой имел бóльшую мощность, чем в среднем по тундре и на контроле в 30– 50 м. Почвы представлены глееземами в зоне тундры и подзолами в подзоне северной тайги (табл. 3). Возраст пожара был определен приблизительно по степени развития вторичной сукцессии. Пожар в подзоне северной тайги прошел в течение экспедиции в 2018 г. В подзоне южной тундры на миграцию углей оказала влияние высокая влажность, антропогенные нарушения и криотурбации. Рассмотренные пожары низовые, слабоинтенсивные или подземные.

Таблица 2 . Объекты в подзоне северной тайги (данные о возрасте пожаров предоставлены Кулойским и Пинежским лесничествами и Л.В. Пучниной по карте Д.Н. Сабурова)

Table 2 . Objects in the northern taiga subzone (data on the age of the fires were provided by Kuloisky and Pinezhsky foresties and L.V. Puchnina on the map of D.N. Saburov)

Местоположение	Координаты	Тип почвы	Зона обнаружения углей в профиле	Особенности растительности	Возраст пожара	Характер рельефа
Террасы р. Кулой	N: 64°44'51'' E: 43°23'01''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Зеленомошник с плотным древостоем	Около 80 лет	Днище воронки
Террасы р. Кулой	N: 64°44'04'' E: 43°23'01''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Зеленомошник с плотным древостоем	Около 80 лет	Днище воронки
Центр Пинежского заповедника	N: 64°34'09'' E: 43°06'54''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Зеленомошник с плотным древостоем	82 года	Плоский
Центр Пинежского заповедника	N: 64°34'31'' Е: 43°03'01''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Зеленомошник с плотным древостоем	58 лет	Плоский
Северо-запад Пинежского заповедника	N: 64°38'28'' E: 42°48'50''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Разнотравье с редким древостоем	15 лет	Днище воронки

Северо-запад Пинежского заповедника	N: 64°38'28'' E: 42°48'50''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Разнотравье с частым подростом	15 лет	Плоский на повышении
Террасы р. Кулой	N: 64°56'35'' Е: 43°33'25''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Разнотравье с частым подростом	4 года	Плоский
Террасы р. Кулой	N: 64°43'45'' E: 43°22'48''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Лишайник с разреженным древостоем	2 года	Плоский

Таблица 3. Объекты в зоне тундры и подзоне северной тайги. Координаты предоставлены Матышаком Г.В.

Table 3. Objects in the tundra zone and the northern taiga subzone. Coordinates are provided by Matyshak G.V.

Местоположение	Координаты	Тип почвы	Зона обнаружения углей в профиле	Особенности Растительности	Возраст пожара	Характер рельефа
Тундра	N: 66°46'14" E: 74°28'03"	Торфяно-глеезем типичный	По всему профилю, фрагментарно	Лишайник	Около 10–15 лет	Плоский
Тундра, поблизости газопровод	N: 66°46'14" E: 74°27'46"	Глеезем грубогумусированный	По всему профилю, фрагментарно	Пушицевоосоковая ассоциация	Около 10–15 лет	Плоский, с локальными понижениями

Местоположение	Координаты	Тип почвы	Зона обнаружения углей в профиле	Особенности Растительности	Возраст пожара	Характер рельефа
Тундра, поблизости газопровод	N: 66°46'40" E: 74°27'49"	Глеезем типичный	На глубине 15 см	Лишайник	Около 10–15 лет	Плоский, с локальными понижениями
Тундра, поблизости газопровод	N: 66°46'21" E: 74°27'20"	Торфяно-глеезем типичный	По всему профилю, фрагментарно	Пушицевоосоковая ассоциация	Около 10–15 лет	Плоский, с локальными понижениями
Тундра, ровный участок	В 50 м от предыдущей точки	Торфяно-глеезем типичный	Прослойкой на 9 см	Пушицевоосоковая ассоциация	Около 10–15 лет	Плоский
Северная тайга, окрестности стационара “Надым”	N: 65°18'53'' E: 72°52'52''	Подзол иллювиальножелезистый	Весь профиль	Лишайник с фрагментами зеленомошника	1 год	Плоский

В ходе работы рассматривалась исключительно вертикальная миграция углистых частиц. Такое решение было принято по той причине, что для построения модели латеральной миграции пока собрано недостаточно материала. Все представленные схемы относятся к современным хронорядам (1 – 119 лет) пожаров.

Отбор образцов осуществлялся по горизонтам. Затем анализировалось наличие и относительное количество углистых частиц, их размер, сохранность (по форме и твердости) и распределение по профилю (Carcaillet, Thinon, 1996) . Точки заложения разрезов в каждой зоне выбирались на разных элементах рельефа.

В работе использовались следующие методы: сравнительногеографический, морфологический, метод наблюдения. Проводилось полное морфологическое описание почвенных разрезов (Классификация и диагностика почв России, 2004) , были проанализированы растительные сообщества на местах гарей, отмечены виды, преимущественно появляющиеся после пожаров. В лаборатории осуществлено мокрое просеивание через сита 5, 2, 1 и 0.5 мм (Carcaillet, Thinon, 1996) , построение модельных схем фронтальной миграции (для углистых частиц). Обработка данных осуществлялась в программе Excel. Антракологический анализ проводится при разном разрешении: микроанализ – на оптическом микроскопе, субмикроанализ – на сканирующем электронном микроскопе с использованием антракологического атласа (Scott, 2001) . Были определены особенности формы и сохранность структуры углистых частиц. Концентрация антракомассы была рассчитана как отношение массы углей к массе почвы, выраженное в процентах (Са = (my/mp) · 100), после отделения всех фракций.

Са – концентрация антракомассы, выраженная в процентах; my – массауглистых частиц всех размерных фракций;

mp – масса воздушно-сухой навески почвенного образца.

В литературе можно встретить много примеров такого расчета, постоянно меняются только размерные фракции (Carcaillet, Thinon, 1996) .

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Подзона средней тайги ЕТР (Европейской территории России)

Как показано в таблице 4, в исследованном районе присутствовали и песчаные, и суглинистые почвы. Было установлено, что в качестве слабопроницаемого барьера для углей в суглинистых почвах выступают горизонты ВМ (в буроземах) и BEL (в подзолистых почвах). При этом в песчаных почвах ничто не задерживало миграцию углей по профилю. Более гидроморфные суглинистые почвы нередко имели оторфованную подстилку, тогда как напочвенный покров песчаных почв был представлен маломощным слоем лишайника. Рельеф характеризовался в основном небольшими склонами в 2–3° в предгорьях Урала (кордон Строганная доска), что делало возможным перенос углей водными потоками. Угли в подстилке почв гидроморфных позиций пронизаны гифами грибов и приобрели мягкую торфообразную структуру, но частично сохранили прямоугольную форму. Угли между подстилкой и BEL подзолистых почв сильно деформированы, нередко аморфны и потеряли анатомическую память. Угли в подзолах, напротив, отлично сохранились – сверху и до середины профиля имеют прямоугольную форму. В горизонте ВС-С подзолов встречаются угли круглой формы размером до 1 мм. Осадки – главный фактор, определяющий миграцию углей в этом районе исследований.

Глубина и время миграции рассчитаны для суглинистых почв по разрезу самого старого пожара (169 лет).

Подзона северной тайги ЕТР

Почвы подзоны северной тайги, выбранные для исследований, по своим свойствам напоминали почвы подзолов средней тайги. Подстилка, при ее неполном сгорании, выступала единственным барьером на пути проникновения углистых частиц в глубину профиля. Два профиля на террасах реки Кулой (табл. 2), а также профили на северо-западе заповедника расположены в сильно расчлененном рельефе. В таких условиях рельеф оказывается определяющим фактором миграции угля, который накапливается в карстовых воронках после послепожарной эрозии.

Таблица 4. Общая характеристика условий миграции углистых частиц в районах исследований

Table 4. General characteristics of the migration conditions of carbonaceous particles in the study areas

Грануло-метрический состав	Мощность подстилки	Барьер для миграции углей	Рельеф	Форма и размер углей	Климатический параметр	Глубина и время миграции
Печоро-Илычский заповедник, подзона средней тайги
Суглинок Песок	5–15 см	Тяжелый суглинистый горизонт, в подзолах отсутствует	Слабый уклон или плоский	Прямоугольная в подстилке и нарушенная вниз по профилю. Размер от 0.5 до 0.1 мм	Влажность	30–40 см за 169 лет
Окрестности п. Пинега, подзона северной тайги
Песок	5–10 см	Может создавать подстилка	Воронки до 2–3 м глубиной	Последовательно сменяется с прямоугольной на круглую с глубиной. Все категории размеров	Влажность, ветер	> 80 см за 50 лет
Надымский стационар, подзона северной тайги
Песок	2–5 см	Нет	Плоский	Изначально формируется много углей размером менее 0.1 мм	Влажность и ветер	Весь профиль за 15 лет
Окрестности п. г. т. Заполярный, подзона южной тундры
Тиксотропная глина	До 30 см	ММП*	Плоский	Сохраняются лишь крупные угли, бесформенные 2–3 мм	Влажность температура	Весь профиль за 50 лет

Примечание. * – многолетнемерзлые породы.

Угли во всех представленных разрезах (табл. 2) имели прямоугольную форму в верхних и округлую в нижних горизонтах профиля. Содержание антракомассы резко уменьшалось вниз по профилю (табл. 5).

Осадки и ветер, при сильном повреждении подстилки, являются основными факторами миграции для данного района исследований, так как переносят и уголь, и почвенный материал. Глубина и время миграции углей проверены на горельнике возрастом около 80 лет.

Подзона северной тайги Западной Сибири

Почвы подзолов подзоны северной тайги северно Западной Сибири (табл. 3) схожи с почвами северной тайги Европейской территории России (табл. 5). Их особенность – маломощная и уязвимая к воздействию огня лишайниковая подстилка (табл. 7). При горении лишайников и кустарничков нередко образуется уголь менее 0.5 мм, миграция которого протекает с большой интенсивностью. Кроме того, малый размер углистых частиц связан с высокой частотой пожаров – один пожар раз в 10–15 лет, что создает эффект дожигания углей.

Подзона южной тундры севера Западной Сибири

Глееземы, представленные в таблице 3, имеют ряд особенностей. Несмотря на профиль, большая часть которого представлена тиксотропной глиной, и мощную оторфованную подстилку (табл. 8), угли в них встречаются по всему профилю. Причины такого их повсеместного расположения – криотурбации. В результате воздействия влажности от таяния ММП угли быстро повреждаются и теряют свою форму. Температурный режим почв, который может способствовать либо таянию, либо поднятию уровня ММП, во многом определяет миграцию углистых частиц в южной тундре. Скорость миграции рассчитана на антропогенном объекте, представленном газовым трубопроводом.

В Печоро-Илычском заповеднике на основании исследований 12 разрезов почв с известным возрастом пожаров было замечено, что крупные частицы угля (> 0.5 мм) в основном оседают в подстилке, тогда как угли меньшего размера распространены до первого горизонта суглинистого гранулометрического состава – BEL (что отражено в таблице 4), постепенно уменьшаясь с глубиной. Глубже 30–40 см углистых частиц найдено не было (рис. 2).

Таблица 5. Сравнение концентрации антракомассы в разных горизонтах профиля для карстовой воронки Архангельской области

Table 5. Comparison of the concentration of anthracomass in different profile horizons for the karst sinkholes of the Arkhangelsk region

Образец	Фракция, мм	Концентрация антракомассы от веса почвы, %	Доля каждой фракции в общей антракомассе, %
АЕ pir1/AEpir2/AEpir3	> 5	1.29	6.29
	2–5		46.13
	1–2		37.80
	0.5–1		9.79
Epir	> 5	0.13	13.54
	2–5		14.26
	1–2		19.79
	0.5–1		52.41
BFpir	> 5	0.02	0.00
	2–5		82.82
	1–2		4.00
	0.5–1		13.17
BCpir	> 5	0.09	0.00
	2–5		44.48
	1–2		41.36
	0.5–1		14.16
[AEpir]	> 5	0.94	23.94
	2–5		61.40
	1–2		12.52
	0.5–1		2.14
[Epir] II	> 5	0.52	4.80
	2–5		75.92
	1–2		12.46
	0.5–1		6.82

Продолжение таблицы 5. Сравнение концентрации антракомассы в разных горизонтах профиля для карстовой воронки Архангельской области

Continued table 5. Comparison of the concentration of anthracomass in different profile horizons for the karst sinkholes of the Arkhangelsk region

Образец	Фракция, мм	Концентрация антракомассы от веса почвы, %	Доля каждой фракции в общей антракомассе, %
[BF/BC]pir II	> 5	0.17	0.00
	2–5		12.06
	1–2		49.29
	0.5–1		38.65
[AEpir] III	> 5	0.74	26.55
	2–5		33.49
	1–2		35.81
	0.5–1		4.15
[AEpir] V	> 5	0.44	21.58
	2–5		29.27
	1–2		40.55
	0.5–1		8.60
[Bpir] III	> 5	0.07	5.03
	2–5		21.44
	1–2		52.12
	0.5–1		21.41
[E/BF] IV	> 5	0.03	0.00
	2–5		28.34
	1–2		24.32
	0.5–1		47.34
[E + BF pir] V	> 5	1.35	13.93
	2–5		61.33
	1–2		20.02
	0.5–1		4.72
[BC pir] V	> 5	0.02	0.00
	2–5		42.95
	1–2		26.18
	0.5–1		30.88
[BC pir] V	> 5	0.14	0.00
	2–5		41.51
	1–2		30.19
	0.5–1		28.30

Такой тип распределения автор предлагает назвать барьерным, поскольку горизонты в профилях подзолистой почвы или бурозема формируют естественный барьер, ограничивая вертикальную миграцию.

Однако в случае подзолов, располагающихся в местах с моховым покровом и плотным древостоем (табл. 1), распределение происходит так, как показано на рисунке 3. И, наконец, в местах с редким древостоем и лишайниковым напочвенным покровом – как на рисунке 4.

В песчаных почвах Пинежского заповедника и его окрестностях в случае наличия мощной подстилки и сомкнутого древесного яруса углистые частицы попадают на остатки горизонта О после пожара. С течением времени уголь проникает вглубь профиля, постепенно разрушаясь (что отражено в столбце “глубина и время миграции” таблицы 4). Это наблюдение было сделано на основании исследования морфологической структуры угля, которая становилась все более округлой вниз по профилю, при этом сам уголь уменьшался в размерах (рис. 3). Так как в результате оказывается, что углистые частицы распределены практически по всему профилю почвы – крупные (2–3 мм) угли сосредотачиваются в верхних горизонтах и постепенно уменьшаются с глубиной, – то было предложено назвать такой тип распределения неравномерно-диффузным.

В ходе наблюдений, проведенных в сосняках ягелевых подзон средней и северной тайги, было замечено, что уголь в профиле находится в виде углистых частиц малого размера (0.001–0.063 мм) и лишь редкие частицы, встречаемые по всему профилю, имеют больший размер. Такую однородную картину предложено назвать равномерно-диффузным распределением углистых частиц. Морфологическое строение углей в этом случае не читается из-за маленького размера. Характеристика условий миграции в этом случае схожа с подзоной северной тайги, но обладает некоторой специфичностью, например, в мощности подстилки (табл. 4).

Равномерно-диффузная модель описывает миграцию углей при распространении в напочвенном покрове ягеля с разреженным древостоем (рис. 4).

а                                                    б

Рис. 2. a – Схема барьерной миграции углей на супесчаных и суглинистых почвах. Черные геометрические фигуры – угли разной формы. Красные стрелки определяют направление вертикальной миграции. Обозначения “t1, t2” характеризуют относительное время, прошедшее с начала пожара. Между завершением пожара – t1 и временем наблюдения – t2 прошло 169 лет. б – Пример почвенного разреза.

Fig. 2. a – The scheme of the barrier migration of coal on sandy and loamy soils. Black geometric shapes – coals of different shapes. The red arrows indicate the direction of vertical migration. The designations “t1, t2” characterize the relative time elapsed since the start of the fire. 169 years passed between the end of the fire – t1 and the observation time – t2. б – Example of a soil pit.

Рис. 3. а – Схема неравномерно-диффузной миграции углей на песчаных почвах. Черные геометрические фигуры – угли разной формы. Красные стрелки определяют направление вертикальной миграции. Обозначения “t1, t2, t3” характеризуют относительное время, прошедшее с начала пожара. Между временем пожара – t1 и временем наблюдения – t3 прошло 50 лет. б – Пример почвенного разреза.

Fig. 3. а – The scheme of uneven-diffuse migration. Black geometric shapes – coals of different shapes. The red arrows indicate the direction of vertical migration. The designations “t1, t2, t3” characterize the relative time elapsed since the start of the fire. 50 years have passed between the time of the fire – t1 and the time of observation – t3. б – Soil pit example.

Рис. 4. а – Схема равномерно-диффузной миграции углей в песчаных почвах с лишайниковым покровом. Черные геометрические фигуры – угли. Красные стрелки определяют направление вертикальной миграции. Обозначения “t1, t2, t3” характеризуют относительное время, прошедшее с начала пожара. Интервал между t1 и t2 составляет 10 лет. б – Пример почвенного разреза.

Fig. 4. а – Scheme of uniformly diffuse coal migration in sandy soils with lichen cover. Black geometric figures are coals. The red arrows indicate the direction of vertical migration. The designations “t1, t2, t3” characterize the relative time elapsed since the start of the fire. The interval between t1 and t2 is 10 years. б – Еxample of a soil pit.

В тундре были изучены пожары 5–10-летнего возраста (рис. 5).

Заболачивание, распространенное вблизи антропогенных объектов, связанное с близким залеганием ММП (табл. 8), а также криотурбации разрушили углистые частицы. Такой вывод был сделан на основании того, что уголь приобрел неопределенную форму и стал очень похож на торф, в котором он и был найден в профиле. Тип миграции предложено назвать турбационным.

На всех представленных схемах (рис. 2, 3, 4 и 5) можно условно разделить миграцию углей на стадии (t), где возраст увеличивается в ряду t1 < t2 < t3. В представленном визуальном материале эти стадии миграции не равны друг другу, как в пределах одной модели миграции, так и при их сравнении, что важно четко понимать. Последовательность стадий для каждого района всегда сохраняется, хотя ее длительность будет зависеть от того, насколько повреждена подстилка, каков гранулометрический состав почвы и какова ее влажность. Так, по наблюдениям, в случае тяжелого гранулометрического состава даже спустя сотни лет после пожара уголь будет сосредоточен в верхних частях профиля (рис. 2). В песчаных почвах уголь распределится по всему профилю на порядок быстрее (рис. 3, 4).

Кроме тундры, во всех остальных подзонах встречались все типы рассмотренных моделей миграции. В подзонах северной и средней тайги возможны сценарии, показанные на рисунках 2, 3 и 4. Рисунки 3 и 4 могут служить примером самого распространенного варианта в местах с песчаными почвами для районов подзон средней и северной тайги, как в Европейском, так и Сибирском районах. Первоначально уголь попадает на остатки подстилки или на горизонт Е (t1). Затем, все более окатываясь после взаимодействия с водой и с частицами песка, уголь проникает в глубину профиля (t2, t3).

Принципиальная разница, однако, заключается в морфологии самого угля в сценариях, показанных на рисунках 3 и 4. В случае лишайникового покрова на поверхность почвы попадает сразу мелкий уголь, что ускоряет его проникновение в почву.

a                                     6

Рис. 5. а – Схема турбационной модели миграции углей при наличии близко расположенных к поверхности многолетнемерзлых пород. Черные геометрические фигуры – угли. Красные стрелки показывают процессы переноса в результате педотурбаций. Обозначения “t1, t2” характеризуют относительное время, прошедшее с начала пожара. Интервал между t1 и t2 составляет 50 лет, отсчитанных по началу установки трубы. б – Пример почвенного разреза.

Fig. 5. а – Scheme of a turbulent model of coal migration in the presence of permafrost near the surface. Black geometric figures – coals. The red arrows show the transfer processes as a result of сryoturbation. The designations “t1, t2” characterize the relative time elapsed since the start of the fire. The interval between t1 and t2 is 50 years from the pipe installation. б – Еxample of a soil pit.

В случае промывного водного режима и песчаного состава почвы количество углей обычно равномерно уменьшается с глубиной (табл. 4).

Как демонстрирует рисунок 7, наиболее сохранившуюся структуру имеют угли автоморфных позиций (рис. 7А). В результате продолжительного воздействия влажности углистые частицы теряют морфологическую структуру и прямоугольную форму (рис. 7D), становятся хрупкими и мягкими на ощупь. На рисунке 6 схематично представлены изменения морфологического облика углей в зависимости от возраста пожара.

Отдельно стоит схема миграции углей тундровых экосистем. Так, высокие температуры пожара могут растопить часть многолетнемерзлых пород, после чего освободившаяся вода способствует миграции и повреждению углей, что на схеме изображено в виде бесформенных фрагментов в погребенном горизонте (рис. 5). В последующем (t2) происходит процесс криотурбации, случайно распределяющий угли по профилю. Однако собранный материал пока не позволяет привести точных значений изменения многолетнемерзлых пород относительно сезонно-талого слоя под воздействием пожара.

В ходе обсуждения хотелось бы затронуть такие важные факторы, как рельеф, почвенные морфоны, интенсивность и периодичность пожаров.

Несомненно, рельеф сильно влияет на миграцию углистых частиц. Основная масса углистого материала в процессе исследования была набрана из понижений самого разного масштаба. С одной стороны, такая аккумуляция очень важна для исследований абсолютного возраста углей, которые часто образуют прослои одного возраста, с другой стороны, она перемешивает угли пожаров разного возраста. Роль аккумулятора продуктов пожара могут играть овраги, болота и любые резкие понижения в рельефе.

Почвенные морфоны служат источником данных для определения абсолютного возраста углей. Сложность составляет то, что методом радиоуглеродного датирования с применением изотопа 13С, который активно используется в настоящее время, возраст современных пожаров определяется с большой ошибкой. При этом палимпсестовый тип записи, характерный для почвенного профиля, требует от исследователя хорошего навыка интерпретации почвенных процессов, для выявления морфонов с одним возрастом углей.

Рис. 6. Влияние возраста пожара на морфологический облик и глубину проникновения углей. Квадратом показана морфологическая структура угля хорошей сохранности. Прямоугольник характеризует нарушенную структуру углей, кружки – округлую. Черные фигуры неопределенной формы показывают сильно деформированный уголь. A – демонстрирует миграцию угля в сухих условиях и песчаных почвах. B – демонстрирует миграцию угля во влажных условиях и песчаных почвах. C – демонстрирует миграцию угля в гидроморфных условиях и суглинистых почвах.

Fig. 6. Influence of fire age on morphological appearance and depth of charcoal penetration. The square shows the morphological structure of well-preserved charcoals. The rectangle characterizes the broken structure charcoals. The circles show rounded formed charcoal. The indefinite black figures show highly deformed charcoal. A – demonstrates the migration of coal in dry conditions and sandy soils. B – demonstrates the migration of coal in wet conditions and sandy soils. C – demonstrates the migration of coal in hydromorphic conditions and loamy soils.

Рис. 7. Показана морфологическая структура угля в зависимости от возраста пожара и влажности подстилки. А – пожар возрастом 2 года, автоморфные условия. В – пожар возрастом 59 лет, мезоморфные условия. С – пожар возрастом 100 лет, гидроморфные условия. D – пожар возрастом 10 лет, гидроморфные условия, криотурбации.

Fig. 7. The morphological structure of coal is shown depending on the age of the fire and the moisture content in the litter. A – a fire of 2 years old, automorphic conditions. B – a fire aged 59 years, mesomorphic conditions. С – a fire aged 100 years, hydromorphic conditions. D – a fire aged 10 years, hydromorphic conditions, cryoturbation.

Интенсивность пожара – важный параметр миграции углистых частиц. Так, в данной статье рассматривались случаи, когда напочвенный покров уничтожен пожаром. При слабых низовых пожарах, когда подстилка сгорает не полностью, углистые частицы остаются в подстилке и схемы вертикальной миграции не активизируются до начала более интенсивного пожара.

Периодичность пожаров – фактор, определяющий количе- ство углистых частиц в почвах. В районе Печоро-Илычского заповедника, к примеру, пожары могут происходить раз в 300 лет благодаря высокому значению влажности почвы, но при этом угли остаются все это время в верхних горизонтах, как показано в барьерной модели миграции углистых частиц. Напротив, в сосняках с лишайниковым покровом пожары могут происходить каждые 10– 15 лет, полностью сжигая ягель. Профиль таких почв пронизан углистыми частицами. Из-за этого при изучении миграции в сосняке ягелевом пирогенный материал легче найти, но надо помнить, что найденный уголь, с высокой вероятностью, – следствие нескольких пожаров.

ВЫВОДЫ

• 1.    В ходе работы были разработаны следующие модели миграции углистых частиц: барьерная неравномерно-диффузная, равномерно-диффузная и турбационная.

• 2.    С течением времени после пожара осуществляется перенос углистого материала вниз по профилю, что сопровождается его разрушением и изменением формы от прямоугольной до округлой. При этом степень разрушения угля зависит от влажности почвы.

• 3.    Миграция углей в глубину почвенного профиля зависит от гранулометрического состава (определенного полевыми методами) – так, в песчаных почвах угли рассеяны по всему профилю, а в суглинистых почвах они сконцентрированы выше первого тяжелого горизонта.

• 4.    Тот факт, что в сосняке с лишайником не найдено крупных углей, в соответсвии с данными литературного обзора, может быть связан с дожиганием углей новыми пирогенными событиями, которые, из-за особенности ягеля высыхать в сухие годы, происходят с высокой частотой.

• 5.    Несмотря на широкий географический охват, миграция углей укладывается в три представленные схемы во всех исследованных районах и подзонах тайги, что позволяет сделать вывод об универсальности закономерностей миграции углей.

• 6.    Миграция углей в подзоне южной тундры существенно отличается от подзон тайги, что связано с воздействием влажности,

• 7.    Определяющим параметром климата для большинства моделей является влажность.

• 8.    В зависимости от возраста пожара, форма углистых частиц, даже в схожих природных условиях, изменяется. В автоморфных условиях угли приобретают круглую форму и уменьшаются в размерах, в гидроморфных – интенсивно разрушаются и теряют анатомическую память.

криотурбаций и глинистого характера горизонтов глееземов. Совокупность этих факторов разрушает углистые частицы и способствует их залеганию в непредсказуемых местах профиля.