Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 511, № 2, стр. 280-286

Пожары в природных экосистемах являются серьезной угрозой как для целостности самих экосистем, так и для населения, проживающего на этих территориях. В настоящее время во многих регионах мира значительно возросла доля пожаров, вызванных деятельностью человека [1, 2]. Кроме того, количество и интенсивность пожаров зависят от климатических факторов, поэтому в условиях современных климатических изменений требуется адекватный прогноз пожарных обстановок для всех регионов Земли. В свою очередь, для адекватного прогноза необходима информация о динамике пожаров в прошлом. Сравнение современных пожарных обстановок с таковыми в доиндустриальный период позволяет оценить вклад антропогенного фактора в этот процесс [2]. Одним из лучших “архивов” информации о пожарах могут служить донные отложения озер, где количественным индикатором пожаров являются частицы древесных углей (charcoal particles), которые попадают в атмосферу в результате горения растений и оседают на дно водоемов, где сохраняются в течение тысячелетий [2, 3]. Показано, что частицы древесных углей размером менее 100–125 мкм характеризуют региональный фон пожаров, тогда как более крупные частицы (более 100 мкм) характеризуют пожарную обстановку в окрестности данного озера [4].

На степных и лесостепных территориях юга Сибири пожары являются регулярным явлением. Часто они вызваны умышленными или случайными поджогами сухой травы весной и осенью. В частности, на территории Минусинской котловины активность пожаров составляет 1–10 пожаров/1000 км² день^–1 (NASA Observatory, данные 2015 г.). Пожары регулярно наносят ущерб жилым и хозяйственным постройкам, бывали и человеческие жертвы [5]. Кроме того, степная полоса юга Сибири подвержена значительным колебаниям влажности, и испытывала периоды длительных засух и увлажнений на протяжении голоцена [6], что вероятно отражается на колебаниях природного фона пожаров. В частности, Минусинская котловина представляет особый интерес с точки зрения палеоклимата. Это равнинная территория, окруженная горными хребтами, которые препятствуют проникновению влажных воздушных масс, в результате чего здесь формируется полуаридный микроклимат, более мягкий по сравнению с окружающей территорией. Данная территория уникальна большим количеством археологических памятников, оставленных несколькими последовательно сменяющими и частично проникающими друг в друга культурами каменного, бронзового и железного веков. Предположительно, именно благоприятный климат является причиной относительно высокого уровня развития древнего населения, поэтому связь человеческой деятельности с климатическими вариациями, например, смена основы хозяйства с животноводства на земледелие, может здесь проявляться особенно четко [7]. Выяснению закономерностей климатических изменений и антропогенных воздействий может помочь реконструкция динамики пожаров по озерным отложениям. На сегодняшний день обширная территория Сибири недостаточно изучена с точки зрения палео-пожаров. Имеющиеся реконструкции по древесным кольцам [8], торфяным колонкам [9] и озерным отложениям [3] проведены для лесных экосистем в более высоких широтах, тогда как по степным и лесостепным регионам юга Сибири на сегодняшний день работ явно недостаточно [3]. В недавних литературных обзорах по палео-пожарам [1, 2] упоминания о Сибири вообще отсутствуют, поэтому новая информация о динамике палео-пожаров в ранее неизученном регионе представляет фундаментальный интерес.

В настоящей работе мы впервые проанализировали содержание углистых частиц размером свыше 100 мкм в донных отложениях двух озер, расположенных на юге Сибири в лесостепной зоне Северо-Минусинской котловины (Республика Хакасия и Красноярский край), и выявили, что в обоих озерах значительно возрастает поток частиц в последние около ста лет, что вероятнее всего вызвано усилением хозяйственной деятельности человека, в том числе сжиганием топлива в прилегающих к озерам населенных пунктах. Наши данные в целом подтвердили тенденцию к беспрецедентному увеличению потока углистых частиц, характерную для многих регионов мира в индустриальный период, и показали, что ранее неисследованный в этом отношении степной регион юга Сибири подвержен этой же тенденции.

Озеро Шира (54°30′ с.ш., 90°11′ в.д.) расположено в Ширинском районе Республики Хакасия, в 15 км от районного центра п. Шира. Озеро имеет овальную форму, размерами 5.3 × 9.3 км, площадью 35.9 км², максимальная глубина 24.5 м (2021). Озеро Шира обладает бальнеологическими свойствами, на его юго-западном берегу круглогодично функционирует известный курорт “Озеро Шира” и расположен поселок Жемчужный. К поселку примыкают дачные массивы и базы отдыха.

Озеро Учум (55°05′ с.ш., 89°43′ в.д.) расположено в 70 км к северо-западу от озера Шира, на территории Ужурского района Красноярского края, в 30 км к югу от г. Ужур. Озеро имеет форму неправильного овала размером 1.5 × 4 км, площадь поверхности около 4 км², максимальная глубина 9.2 м (2022 г.). Грязь и вода озера обладают бальнеологическими свойствами, на юго-западном берегу озера функционирует курорт “Озеро Учум” и расположен поселок с одноименным названием.

Оба озера расположены 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) [10]. Полуаридный климат способствует формированию степного ландшафта, зимой на озерах формируется ледовый покров толщиной около одного метра. В летнее время озера являются популярным местом отдыха, здесь располагается большое количество палаточных кэмпингов и неорганизованных стоянок отдыхающих.

Керны донных отложений были отобраны из озера Шира 4 марта 2021 г. в точке с координатами 54°30.387′ с.ш., 090°11.652′ в.д., из озера Учум 16 марта 2022 г. в точке с координатами 55°05.670′ с.ш., 089°43.406′ в.д.. Длина кернов составила 110 и 70 см соответственно. Отбор кернов осуществляли в центральной глубоководной части озер, на ледовой поверхности через отверстие во льду. Керны отбирали с помощью ударно-гравитационного устройства UWITEC (Австрия), затем транспортировали в лабораторию в вертикальном положении, где разрезали вдоль вертикальной оси, фотографировали с миллиметровой линейкой и разделяли на поперечные образцы с шагом 1 см. В образцах проводили подсчет угольных частиц на основе методик, описанных в работах [4, 11]. А именно, известный объем влажных донных отложений помещали в дефлокулирующий раствор (6% гексаметафосфат натрия) на три часа, затем просеивали мокрым способом через ткань с размером ячеи 100 мкм (мельничный газ). Полученный остаток выдерживали 1 ч в 6% гипохлорите натрия для отбеливания и снова просеивали через ту же ткань. Остаток помещали в камеру Богорова и угольки подсчитывали под стереомикроскопом в отраженном свете при 25-кратном увеличении. В качестве объектов для сравнения использовали измельченный древесный и активированный уголь. Угольки распознавались по наличию металли-ческого блеска, острых граней и хрупкости. Количественный анализ проводили в программе CharAnalysis (http://CharAnalysis.googlepages.com), [12], с помощью которой полученные значения содержания угольков в образцах интерполировали через равные промежутки времени, и проводили сглаживание для выявления фона, отражающего усредненную интенсивность горения в регионе, а также процессы переотложения и привноса материала смывом с территории водосбора [12].

Оценка возраста донных отложений оз. Шира была проведена ранее по другим кернам, отобранным в этой же точке, на основе измерений активности изотопов ¹³⁷Cs, ²¹⁰Pb, ¹⁴С, в сочетании с подсчетом годичных слоев (варв), и опубликована в работе [13]. В качестве репера для стыковки разных кернов оз. Шира использовали четко визуально различимый светлый слой на глубине около 13 см. Возраст отложений озера Учум был ранее оценен по активности ¹³⁷Cs и ²¹⁰Pb для верхней части отложений [10]. В настоящей работе мы скорректировали оценку возраста с учетом уменьшения толщины годичных слоев (варв) с глубиной. Для этого количество варв подсчитывалось на нескольких участках керна двумя людьми и средние значения толщины годичных слоев принимались для оценки возраста. На участках, где варвы были визуально плохо различимы, толщина годичного слоя принималась как среднее значение между прилегающими с обеих сторон участками с визуально различимыми варвами.

Анализ углистых частиц позволил выделить три типичные группы, различающиеся по форме, и соответствующие описанным ранее в литературе [11, 14]. Первая группа углистых частиц имеет вытянутую форму, предположительно это остатки травянистых растений, тонких корней, хвои, жилок листьев т.п. [11, 14], эти объекты условно названы нами “травинки”. Вторая группа имеет вид тонких плоских “чешуек”, интерпретируется в литературе как остатки листьев, а также в некоторых случаях коры и древесины [11, 14]. Третью группу составляли объемные частицы различной неправильной формы, предположительно являющиеся остатками от горения древесины, угля и прочих горючих твердых материалов [11, 14]. Вышеуказанные морфотипы частиц соответствовали ранее выявленным нами в седиментационных ловушках озера Шира [5].

В отложениях обоих озер углистые частицы всех трех типов обнаруживались на всех глубинах, однако, распределение по глубине отложений было неоднородным (рис. 1, 2). Наиболее заметные неоднородности были выявлены в слоях, соответствующих последнему столетию, а именно – резкое увеличение скорости накопления частиц 2 и 3 типов (рис. 1, 2). Поток частиц первого типа в современный период не демонстрирует заметного увеличения в современный период (рис. 1, 2).

Рис. 1.

Скорость накопления углистых частиц в донных отложениях озера Шира.

Рис. 2.

Скорость накопления углистых частиц в донных отложениях озера Учум.

Присутствие углистых частиц размером более 100 мкм интерпретируется в литературе как остатки растений, сгоревших в непосредственной близости от озера, в радиусе около 10 км [4, 11]. Наиболее вероятной причиной возрастания скорости накопления углистых частиц второго и третьего типов в исследованных озерах в современный период является человеческая деятельность. На берегах обоих водоемов источниками таких частиц являются трубы котельных и частных домов, а также костры, разводимые людьми на берегах во время летнего отдыха. Нами ранее была проанализирована сезонная динамика потока углистых частиц в отложения озера Шира с помощью седиментационных ловушек в течение нескольких лет, и убедительно показано, что эти потоки возрастают ежегодно именно в холодное время года [5]. В ловушках во все сезоны преобладали объемные частицы, тогда как “травинки” и “листики” в большинстве ловушек вообще отсутствовали, либо встречались единично, и их количество было недостаточным для выявления сезонной динамики [5]. Эти данные в сочетании с нашими данными из кернов свидетельствуют о прямом антропогенном влиянии в виде сжигания дров и угля для обогрева и прочих хозяйственных нужд, очевидно сильно возросшем именно в период с начала 20 века и до наших дней. Вместе с тем пожары в природных экосистемах, вызванные человеческой деятельностью, также могут вносить вклад в наблюдаемое нами увеличение. Однако индикаторами природных пожаров являются частицы первого типа, а их поток в современный период не увеличивался (рис. 1, 2). Вероятно, интенсивность степных и лесных пожаров в окружающих озера экосистемах не столь заметно увеличилась по сравнению с прошлым.

Рост потока углистых частиц в отложениях последних десятилетий был зарегистрирован во многих регионах мира, в том числе и в Сибири [6, 9], включая такой малонаселенный район как плато Путорана [3]. Вместе с тем в другом малонаселенном районе Сибири – на Центрально-Тунгусском плато (Красноярский край, Эвенкия) – в отложениях трех исследованных озер нами не было выявлено аналогичного увеличения [15], что свидетельствует о неоднородности антропогенной нагрузки на различных территориях, и соответственно, порождает интерес к оценке этой неоднородности в масштабе всей Сибири.

Стоит отметить, что несмотря на схожую динамику, абсолютные значения для частиц второго и третьего типа в оз. Учум на порядок выше, чем в оз. Шира (рис. 1, 2). Возможно, это объясняется тем, что оз. Учум окружено высокими холмами со стороны преобладающих в зимнее время западного и юго-западного ветров. В результате частицы от поселка, расположенного на юго-западном берегу, не разносятся ветром на далекие расстояния, а оседают в большем количестве на поверхность озера. Озеро Шира, наоборот, открыто для всех ветров, и поэтому частицы разносятся на большие расстояния, в результате чего поток на поверхность озера меньше.