Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 1, стр. 148-152

В настоящее время во многих регионах мира наблюдается усиление частоты и интенсивности природных пожаров, что вызвано как антропогенной деятельностью, так и климатическими изменениями [1]. Лесные и степные пожары несут угрозу природным экосистемам и существенно ухудшают условия жизни людей, населяющих прилегающие территории. Для степных районов умеренного пояса характерны пожары, вызванные умышленными или случайными поджогами сухой прошлогодней травы в весеннее время (конец апреля – начало мая). Степные регионы юга Сибири и, в частности, территория Минусинской котловины (Красноярский край и Республика Хакасия) в значительной степени страдают от таких пожаров. Здесь по данным обсерватории NASA активность пожаров варьирует в диапазоне 1–10 пожаров/1000 км² день (данные за 2015 г.) [2]. Ежегодно от пожаров страдают жилые и хозяйственные постройки. Например, 12 апреля 2015 г. сильный пожар уничтожил жилые дома одновременно в нескольких поселках Ширинского района Республики Хакасия, в том числе десятки домов в районном центре п. Шира, были человеческие жертвы.

С другой стороны, пожары, вызванные естественными причинами (например, возгорания от молний), часто являются необходимым фактором существования природных экосистем и ускоряют круговорот углерода в биосфере [2]. Поскольку частота и интенсивность пожаров зависят от вариаций климатических факторов, в первую очередь температуры и влажности, прогноз пожарных обстановок в условиях возможных климатических изменений представляет собой чрезвычайно актуальную задачу для данной территории. В свою очередь для адекватного прогноза необходима информация о частоте и интенсивности пожаров в прошлом. Оценка вклада климатических и антропогенных факторов в современную пожарную обстановку может быть сделана на основе сравнения с динамикой пожаров в прошлом, реконструированной по природным архивам [1].

Одним из лучших архивов являются донные отложения глубоких озер. Углистые частицы, попадающие в атмосферу в результате горения растений, сохраняются в озерных отложениях и широко используются для палеореконструкций в качестве количественного индикатора интенсивности пожаров [1]. Показано, что микрочастицы угля (менее 100–125 мкм) отражают региональный фон пожаров на обширной территории, тогда как макрочастицы (более 100 мкм) отражают скорее локальную пожарную обстановку в окрестности данного озера [3]. Очевидно, что для верной интерпретации данных, полученных из кернов древних озерных отложений, необходимы прямые наблюдения за динамикой современных потоков углистых частиц в водоемы. Такая информация может быть получена только в ходе прямых наблюдений за седиментационным процессом с помощью ловушек, устанавливаемых на дне водоемов [4, 5]. В период с 2012 по 2019 г. в озере Шира устанавливались седиментационные ловушки с целью анализа наличия углистых макрочастиц углей и оценки сезонной динамики поступления этих частиц в донные отложения озера Шира. В настоящей работе мы исследовали современную сезонную динамику седиментационного потока углистых частиц в донные отложения озера, расположенного на населенной территории, и выявили существенный вклад антропогенных факторов в этот поток. Полученные данные позволят более точно интерпретировать распределения углистых частиц в кернах донных отложений и реконструировать динамику пожаров на юге Сибири в позднем голоцене.

Озеро Шира (54°30′ с.ш., 90°11′ в.д.) находится в Ширинском районе Республики Хакасия, в 15 км от районного центра п. Шира. Озеро овальной формы, размерами 5.3 × 9.3 км, площадью 35.9 кв. км, максимальная глубина 24 м (2019) [6]. Озеро расположено на территории Северо-Минусинской котловины. Климат данной местности резко-континентальный: средняя температура июля около +18°С, января около – 19°С. Потенциальное испарение на данной территории (600 мм год^–1) превышает среднегодовое количество осадков (300 мм год^–1) [7]. Полуаридный климат способствует формированию степного ландшафта и многочисленных бессточных озер. Озеро Шира обладает бальнеологическими свойствами, на его берегу круглогодично функционирует известный курорт “Озеро Шира” [6], который является основным градообразующим предприятием для поселка Жемчужный, расположенного на юго-западном берегу озера. К поселку примыкают дачные массивы и базы отдыха. В летнее время озеро является популярным местом отдыха, здесь функционирует большое количество кемпингов и неорганизованных стоянок отдыхающих.

Седиментационные ловушки устанавливали в период с 2012 по 2019 г. в различные сезоны в центральной глубоководной части озера вблизи точки с координатами (GPS 54.30.350 с.ш., 90.11.350 в.д.). Точные даты установки и извлечения ловушек приведены в табл. 1. Ловушки представляли собой открытые с верхнего конца полипропиленовые цилиндры длиной 580 мм, диаметром 103 мм. Ловушки размещались на расстоянии около 4 м от дна (на глубине 20 м) на одном капроновом шнуре, установленном на якоре, с буем на верхнем конце для придания шнуру вертикального положения. После извлечения из воды и транспортировки на берег ловушки выдерживали в вертикальном положении 4 ч, затем сливали верхнюю часть воды через сливные отверстия, расположенные на уровне 100 мм от дна. Остаток тщательно размешивали в оставшемся объеме воды, равном 900 мл, полученную суспензию переливали в пластиковые емкости, герметично закрывали без пузырька воздуха и хранили в темноте при +4°С до обработки [8].

Летом 2017 г. не удалось извлечь ловушку, установленную в мае 2017, поэтому в августе 2017 г. была установлена еще одна ловушка. Обе ловушки были извлечены одновременно в октябре 2017 (табл. 1), поэтому поток в период с мая по август для 2017 г. был рассчитан по разности содержимого обеих ловушек (рис. 2).

Осадочный материал каждой ловушки, хранимый в виде суспензии в герметичных пластиковых бутылках, тщательно перемешивали и отливали 100 мл для анализа углистых частиц. Анализ проводили на основе методик, описанных в работах [3, 9]. Осадочный материал ловушек просеивали мокрым способом через ткань с размером ячеи 100 мкм. Полученный остаток выдерживали 1 ч в 6% гипохлорите натрия для отбеливания и снова просеивали через ту же ткань. Остаток помещали в камеру Богорова и просматривали под стереомикроскопом в отраженном свете при 25–40-кратном увеличении. В качестве объектов для сравнения использовали измельченный древесный и активированный уголь. Углистые частицы распознавались по наличию металлического блеска, острых граней и хрупкости. Седиментационный поток рассчитывали по формуле:

где F – поток углистых частиц (шт см^–2 сут^–1), N – количество подсчитанных углистых частиц в анализируемом образце (шт), V – исходный объем суспензии осадочного материала, извлеченный из ловушки (мл), ${v}$ – объем анализируемого образца суспензии (мл), Δt – время экспозиции ловушки в озере (сут), S – площадь открытой части ловушки (см²).

Во всех ловушках были обнаружены углистые частицы различной формы (рис. 1), которые, согласно литературным данным, были интерпретированы как следствия пожаров в непосредственной близости от озера, на окружающей территории в радиусе менее 10 км [3]. При подсчете все углистые частицы были разделены на три типичные группы, различающиеся по форме. Первая группа частиц имела вытянутую форму, которая интерпретируется как остатки травянистых растений, тонких корней и т.п. [9], это объекты условно названы “травинки” (рис. 1 а). Вторая группа имела вид тонких плоских “чешуек” (рис. 1 б), и условно была названа “листики”, поскольку интерпретируется в литературе как остатки листьев [9]. Третью группу составляли объемные “частицы” (рис. 1 в), предположительно являющиеся остатками от горения древесины, угля и прочих горючих твердых материалов. Во всех ловушках количество углистых частиц было небольшим, что объясняется малым количеством анализируемого материала. Преобладали “частицы”, причем в зимних ловушках их было заметно больше. “Травники” и “листики” в большинстве ловушек вообще отсутствовали. Поэтому сезонную динамику потока углистых частиц мы оценивали по суммарному количеству без разделения на группы. Динамика потоков демонстрировала четко выраженную сезонность с максимумами в период с октября по май и минимумами летом и в начале осени (рис. 2). Очевидно, что в зимнее время существенно возрастает поступление угольков от сжигаемого топлива (уголь, дрова) для отопления жилищ в окрестных поселках. Помимо частных жилищ, в поселке Жемчужный расположены угольные котельные с высокими трубами, которые, вероятно, служат источником поступления несгоревших угольков на ледовую поверхность озера.

В свою очередь, в период конца апреля – начала мая после схода снега здесь наблюдается наибольшее количество степных пожаров, обусловленных наличием сухой прошлогодней травы, поджигаемой людьми случайно или целенаправленно. Таким образом, угольки от двух разных источников – зимнего сжигания топлива и весенних пожаров – попадают в одни и те же ловушки “октябрь–май”, поэтому оценить вклад каждого из источников в отдельности невозможно без специальных исследований. Однако преобладание угольков типа “частицы”, показывает, что основной вклад дает сжигание топлива. При горении степной растительности следовало бы ожидать преобладания угольков типа “травинки” и “листики”, чего в нашем случае не наблюдается.

Интегрирование кривой на рис. 2 на участках непрерывной экспозиции ловушек позволяет оценить годовой поток углистых частиц. Для периодов май 2012–май 2014 и октябрь 2016–октябрь 2018 г. эта величина составила около 2.5 и 3 шт. см^–2 год^–1 соответственно. Данные величины по порядку сопоставимы с потоками, оцененными в кернах озерных отложений в разных частях мира [1, 9]. По нашим предварительным оценкам, в кернах современных донных отложений озера Шира эта величина составляет около 1–1.5 шт. см^–2 год^–1, тогда как в более древних отложениях возрастом более ста лет поток заметно ниже – порядка 0.1–0.2 шт. см^–2 год^–1. Таким образом, поток, измеренный методом ловушек, совпадает по величине с таковым, оцененным по современным донным отложениям, что говорит об адекватности применения метода ловушек и доказывает хорошую сохранность угольков в древних отложениях. Оцененная нами величина современного потока превышает таковую для более древних отложений, что подтверждает вывод об увеличении седиментационного потока углистых частиц в современный период за счет антропогенных факторов.

Исследования современных процессов формирования состава озерных отложений методами прямых наблюдений достаточно редки, несмотря на то, что только такие исследования позволяют проверить адекватность интерпретации содержимого древних слоев донных отложений. Ценность данной работы заключается в том, что на протяжении нескольких лет выявлена повторяющаяся сезонная периодичность потока углистых частиц, которая показала, что основной вклад в этот поток вносят антропогенные факторы. Полученная нами информация будет полезна для интерпретации профилей углистых частиц в кернах более древних озерных отложений данного региона.