Известия РАН. Серия биологическая, 2021, № 5, стр. 537-546

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследовали лесоболотные экосистемы восточного макросклона Кузнецкого Алатау (Республика Хакасия). В структуре лесов этой территории широко распространены болотные ельники по долинам рек, во влажных распадках и падях, по подножьям и пологим склонам гор на участках выклинивания ключевых вод. Из общего числа 18 типизированных лесных болот в качестве ключевого объекта выбрали торфяной массив в долине реки Тунгужуль (приток р. Белый Июс) на абсолютной высоте 622 м. Торфяник площадью 1.8 тыс. га характеризуется малой мощностью (70–80 см) и сложен почвами эутрофного типа – ТЕ-ТТ (Hypereutric Histic Histosol) (Классификация …, 2004; Мировая реферативная …, 2017). Большую часть года он проморожен до минерального дна. Сезонная глубина залегания мерзлоты активно влияет на уровни стояния грунтовых вод: в начале июня 11–20 см, в конце августа 45–50 см.

Заболоченная долина занята разновозрастным (72–410 лет) зеленомошно-гипновым ельником (Picea obovata Z.) Va класса бонитета. Степень проективного покрытия мхами составляет 95%. Структура растительного покрова представлена на рис. 1. Стволы и ветви еловых деревьев густо обросли “космами” кустистых лишайников – Evernia divaricata (L.) Ach., Evernia esorediosa (Müll. Arg.) DR., Usnea cavernosa Tuck., Usnea dasypoga (Ach.) Nyl., Usnea longissima Ach.

Рис. 1.

Структура напочвенного растительного покрова в ельнике зеленомошно-гипновом. Условные обозначения: 1 – Tomenthypnum nitens (Hedw.) Loeske), 2 – Tomenthypnum nitens (Hedw.) Loeske) + (Aulacomnium turgidum (Wahlenb.) + + Aulacomnium palustre (Hedw.) Schwaegr.), 3 – Hylocomium splendens (Hedw.) Br. Sch. et Ymb., 4 – Hylocomium splendens (Hedw.) Br. Sch. et Ymb. + (Aulacomnium turgidum (Wahlenb.) + Aulacomnium palustre (Hedw.) Schwaegr.), 5 – Aulacomnium turgidum (Wahlenb.) + Aulacomnium palustre (Hedw.) Schwaegr., 6 – Drepanocladus uncinatus (Hedw.), 7 – Helodium Blandowii (Web. et Mohr) Warnst.

Торфяной массив сухой весной 1999 г. пройден крупным пожаром (площадь более 200 га) вблизи д. Усть-Тунгужуль. Возгорание вызвано развитием низового пожара на высокотравном лугу подножья горы Ала–Таг. На болоте огонь перешел в верховой пожар благодаря наличию в ельнике активных проводников горения – эпифитных лишайников. По ним пламя активно охватывало кроны деревьев, смолистую хвою, вызывая обгорание стволов и ветвей, что приводило к развитию почвенно-подземного пожара. Практически полное выпадение из состава древостоя ели, которая относится к числу наиболее огнестойких темнохвойных видов (Санников, 1981), дает основание предполагать, что пожар по скорости распространения оказался устойчивым, по интенсивности горения – средним и сильным.

Ко времени обследования в сентябре 2018 г. (т.е. спустя 20 лет) растительность пожарища представлена березняком (Betula pubescens Ehrh.) кустарниковым осоково-зеленомошным, относящимся к группе кратковременно-производных постпирогенных травяных лесов. Возраст древостоя – 17–20 лет. Флористический состав на 87% представлен сосудистыми растениями. Почвы – пироторфяные эутрофного типа (ТЕpir-TT). Вдоль русла р. Тунгужуль на расстоянии 25–35 м от берегового вала разбили эколого-пирологический профиль (полигон) протяженностью 250–300 м. В его пределах организовали пять примерно равноудаленных пробных площадей (10 × 10 м) и на каждой сообразно доминирующим растительным группировкам выделено по 2 участка. Характеристика растительных сообществ каждой пробной площади приведена в табл. 1. По видовому богатству участки слабо различаются между собой, что характеризует согласованность процессов восстановительной динамики.

На химический анализ отобрана 31 проба поверхностных болотных вод. Выкапывали торфяной монолит размером 35 × 35 × 40 см и образовавшееся углубление (шурф) заполнялось водой, как правило, на утро следующего дня. Наиболее высоко (5–7 см) грунтовые воды стояли на пробных площадях П3 и П4, которые примыкают к заторфованной ложбине, наиболее низко на пр. пл П5 – 55 см, которая ближе других расположена к руслу р. Тунгужуль, на остальных – примерно на уровне 20 см. На каждом участке эколого-пирологического профиля заложено по 3–6 шурфа, на площади болотного ельника, не затронутого пожаром – 7. Не позднее 2–3 дней пробы вод поступали в аналитическую лабораторию. Определяли сумму концентраций главных ионов (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Cl^–), величину рН, а также содержание органического углерода. Выбор данных показателей обусловлен тем, что они характеризуют основополагающие особенности химического состава болотных вод. Аналитическую работу выполняли по руководству (Алекин и др., 1973). Болотные воды классифицировали согласно (Алекин, 1970; Перельман, Касимов, 1999). Многомерный статистический анализ выполнен в программе STATISTICA 6.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По данным табл. 2, болотные воды эутрофного долинного торфяного массива р. Тунгужуль относятся к классу нейтральных и слабощелочных, что соответствует нейтральным и слабощелочным ландшафтно-геохимическим условиям почвенных вод юга Центральной Сибири (Мирошников и др., 2003). По степени минерализации и составу ионов воды характеризуются как пресные и слабосолоноватые гидрокарбонатные кальциево-магниевые, бедные растворенным органическим веществом. Большинство химических показателей болотных вод отличаются значительным варьированием (Cv > 34%) и формируют неоднородную совокупность, оценка по (Скворцова и др., 2015). Прежде чем приступить к формальной классификации вод в сходные по химическому составу группы, была выполнена ориентировочная оценка интенсивности пожара в пределах топо-экологического профиля.

Косвенные показатели силы огневого воздействия характеризовали по качеству торфяного субстрата и состоянию сухостоя.

Пироторф массива Тунгужуль после пожара средней силы представляет собой сильно-разложившиеся растительные остатки темно-бурого цвета с единичными вкраплениями углей, монолитного, плотного сложения 0.205–0.344 г/см³ (0.292 г/см³) с зачатками агрегированности и слабо выраженной пластичностью. Пироторф сильного пожара – темно-бурый, однородный, высокой пластичности органический субстрат повышенной уплотненности 0.347–0.374 г/см³ (0.360 г/см³) с обильными включениями древесных углей, серовато-сизых скоплений золы и хорошо оформленных зернисто-ореховатых агрегатов. Выявленные признаки пирогенной трансформации лесной торфяной почвы согласуются с итогами лабораторных опытов: торф при термической деструкции дает большую усадку, превращается в мелкие порошки, а в интервале температур 150–600°С проходит стадию размягчения, образуя вязкую массу (Раковский и др., 1959). Показано, что свойство пластичности пироторфа в природных условиях сопряжено с повышенной концентрацией битумов – продуктов спирто-бензольной экстракции (Efremova, Efremov, 1996). Увеличение плотности сложения и резкое уменьшение порозности осушенных торфяных, а также лесных почв после пожара отмечается другими авторами (Зайдельман и др., 2003; Giovannini et al., 1986). Торфяной субстрат, не пройденный пожаром – рыхлый, губчатого сложения, низкой плотности 0.024–0.068 г/см³ (среднее 0.049 г/см³) слагается в основном светло-бурыми, слабо мацерированными остатками мхов с небольшим включением древесных фрагментов и раковин пресноводных моллюсков.

По состоянию сухостоя и валежа методом древовидной кластеризации (на основании определенной меры сходства или расстояния между объектами) организовалось два кластера, которые определили наиболее возможно значимое объединение площадей выгоревшего ельника (рис. 2а). Сгруппированные участки 1, 2, 5, 8 (в составе пробных площадей П1, П3 и П5), отличаются суммарным количеством погибших деревьев 38.3 шт/100 м² и примерно равным соотношением сухостоя и упавших стволов без ярко выраженных признаков обгорания, что, вероятнее всего, соответствует почвенно-торфяному пожару средней силы. Кластер, группирующий участки 3, 4, 6, 7 (пр. пл П2, П4) характеризуется сокращением количества сухостоя в 3 раза и увеличением на 40% поваленных стволов. При этом валежник практически полностью обуглен, что указывает на устойчивый сильный пожар.

Рис. 2.

Древовидная диаграмма объединения участков торфяного массива долины р. Тунгужуль по состоянию сухостоя и валежа (а), по химическому составу болотных вод (б), канонические значения дискриминантных функций кластеров болотных вод (в). Кластер I – болотные воды исходного типа водно-минерального питания, кластеры II и III – болотные воды массивов, пройденных средним и сильным пожаром соответственно.

Формализованная классификация болотных вод по химическому составу. В качестве предварительного (разведочного) этапа исследования структуры данных использовали метод древовидной кластеризации. Группировку вод выполнили по совокупности показателей – содержанию главных ионов (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Cl^–), а также аммония и водорастворимого органического углерода. На дендрограмме четко обособились три кластера (рис. 2б). Кластер I объединяет пробы вод на участках, не пройденных пожаром. Кластер II и III группируют воды в пределах зоны воздействия пожара различной интенсивности – среднего и сильного соответственно. Как видим, итоги гидрохимической классификации фактически соответствуют объединению постпирогенных участков леса (пробных площадей) по интенсивности огневого воздействия на древостои.

Объективность выделения кластеров (точность классификации) подтвердили с помощью методов дискриминантного анализа. Согласно оценке квадратов расстояния Махаланобиса, сгруппированные кластеры с высоким уровнем значимости различаются между собой: пробы вод характеризуются 100% попаданием в соответствующий кластер (табл. 3). Наиболее удалены друг от друга воды исходного типа водно-минерального питания и торфяного массива, пройденного сильным пожаром. Персональный вклад ингредиентов в дискриминацию (разделение) кластеров оценивали статистиками лямбда Уилкса и F-значение. Согласно табл. 4, наибольшими дискриминантными возможностями вод обладает ион гидрокарбоната, за ним следуют магний, сульфат-ион, хлор. Наименьшей способностью разделять кластеры вод обладает катион натрия. Содержание углерода является незначимым показателем, а кальций, калий и аммоний исключаются из модели.

Минимизировать число переменных, т.е. определить количество скрытых (латентных) независимых факторов, позволяет канонический анализ путем вычисления дискриминантных функций (корней). Количество оцениваемых функций рассчитывается как число выделенных кластеров минус единица. Каждая функция характеризуется определенной способностью различать кластеры. Согласно табл. 5, первый корень обладает высокой дискриминирующей мощностью. Стандартизованные коэффициенты позволяют определить для каждой переменной наибольший совокупный вклад, или “вес”, в значение дискриминантной функции (корня). Согласно критерию Кайзера, к рассмотрению числа переменных принимались те стандартизованные коэффициенты, абсолютные значения которых больше 1: нагрузки канонических факторов можно интерпретировать так же, как в факторном анализе (Ким и др., 1989). Как следует из табл. 6, дискриминантная функция (корень) 1, ответственная за 95% объясненной дисперсии, взвешивается в основном содержанием ионов ${\text{НСО}}_{3}^{ - },$ Mg²⁺ и ${\text{SO}}_{4}^{ - }.$ Вклад в канонический корень 2, на долю которого приходится 5% дискриминирующих возможностей, вносят катионы натрия. Персональный вклад канонической переменной в значение каждой дискриминантной функции оценивается структурными коэффициентами, которые показывают, насколько тесно связаны отдельная переменная и конкретная дискриминантная функция. Когда абсолютная величина такого коэффициента велика, вся информация о дискриминантной функции заключена в этой переменной, если же коэффициент близок к нулю – их зависимость мала (Ким и др., 1989). Как следует из табл. 6, наиболее тесно с функцией 1 связаны анионы гидрокарбонатов, с корнем 2 – катионы натрия.

Диаграмма рассеяния нестандартизованных канонических коэффициентов для каждой отдельной пробы вод в координатах двух выделенных дискриминантных функций показывает три четко обособленные группы, что дополнительно подтверждает объективность организации болотных вод по химическому составу (рис. 2в).

Химический состав и систематика кластеров болотных вод. Болотные воды торфяной залежи естественного хода развития относятся по степени минерализации к семейству пресных, бедных растворенным органическим веществом гумусовой природы, оценка по (Ефремова и др., 2018) по соотношению ионов – к виду гидрокарбонатных кальциево-магниевых, подвиду II – ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ < Ca²⁺ + + Mg²⁺ < ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ + ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ по величине жесткости – к мягким (табл. 7).

Кластер болотных вод торфяной залежи, пройденной пожаром средней силы, характеризуется значительным увеличением суммы ионов за счет более чем двукратного роста ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ Ca²⁺, Mg²⁺, а также водорастворимого углерода (табл. 8). Несколько в меньшей кратности (1.2–1.7) возрастает содержание ионов Cl^–, Na⁺, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}.$ Тем не менее, воды сохраняют исходную классификационную принадлежность по основным таксономическим уровням, но переходят в категорию жестких. За 20-летний послепожарный период в водах снизилось лишь количество калия, который, без сомнения, благодаря высокой растворимости, легко вымывался из толщи торфяника, а также активно поглощался корнями древесной и травянистой растительности.

Под влиянием сильного пожара в болотных водах резко возрастают темпы прироста ионов ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ и Mg²⁺ (214–332%), немногим меньше Na⁺ и ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ (179–140%). Воды переходят в другую категорию качества и классифицируются как слабосолоноватые, очень жесткие, хотя по-прежнему обеднены растворенным органическим веществом, сохраняют гидрокарбонатный кальциево-магниевый состав с соотношением ионов, присущим подвиду II. Воздействие сильного пожара относительно пожара средней силы на поведение катионов кальция, калия, аммония, а также водорастворимого углерода сказывается мало.

Спустя 20 лет после пожара сгруппированные кластеры болотных вод эутрофного торфяного массива долины р. Тунгужуль вне зависимости от интенсивности огня сохраняют принадлежность к классу нейтральных и слабощелочных. Аналогичная ситуации отмечается в погребенных пирогенно-преобразованных слоях торфяной залежи, в которых кислотно-основные условия среды не отличаются от современных почв (Ефремова, Ефремов, 1994; Глебов, Александрова, 1973). Причина, на наш взгляд, кроется в существенном обогащении пирогенных горизонтов торфа гумусовыми кислотами главным образом первой фракции, которая по сравнению с другими фракциями торфяных гуминовых кислот содержит в составе молекулы большее количество карбоксильных групп (Ефремова, Ефремов, 2006). Преимущественное формирование данной фракции, вероятнее всего, обусловлено реакциями омыления, которые преобладают в процессе мокрого обугливания торфа и сопровождаются гидролитическим расщеплением сложных эфиров с образованием гидроксильных и карбоксильных групп (Раковский и др., 1959).

Итак, методами многомерного анализа объективно доказано, что наибольшей дискриминирующей мощностью (95%) в определении болотных вод обладают ионы магния и гидрокарбонатов. Такое явление объяснимо. Установлено, что торфяные пожары сопровождаются химическим недожогом и выбросом в атмосферу большего количества дыма, двуокиси серы, углекислого газа и других продуктов горения (Добрых, Захарычева, 2009). При растворении СО₂ в воде образуется, как известно, угольная кислота (H₂CO₃), которая при величине рН 6–10 диссоциирует на гидрокарбонаты $\left( {{\text{HCO}}_{3}^{ - }} \right)$ или карбонаты $\left( {{\text{CO}}_{3}^{{2 - }}} \right)$ при уровне рН 10–12. Слабощелочная реакция болотных вод обсуждаемой торфяной залежи (рН 7.6) способствует активному образованию гидрокарбонатов. В воде, насыщенной углекислым газом, сильно увеличивается растворимость гидрокарбонатов кальция и особенно магния (Шварцев, 1999), которые в составе зольных элементов, наряду с калием, фосфором, натрием и другими элементами, высвобождаются из субстрата огневого воздействия (Мелехов, Душа-Гудым, 1979; Абаимов и др., 2001; Tuittila et al., 2007). Магний активно поступает в водную среду, отделяясь от хлорофилла под действием термической деструкции растительных остатков и угольной кислоты. Меньший вес ионов Na⁺ и ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ в дискриминации болотных вод массива Тунгужуль обусловлен, скорее всего, их активным выщелачиванием с площади пожарища вследствие высокой растворимости.

ВЫВОДЫ

1. Впервые на примере ключевого объекта заторфованных речных долин Кузнецкого Алатау, занятых ельниками, объективно доказана трансформация химического состава поверхностных вод эутрофных болот вследствие лесо-торфяных пожаров.

2. Почвенно-грунтовые воды болотного ельника по содержанию главных ионов объективно сгруппировались в три кластера: исходного типа водно-минерального питания (кластер I), после пожара средней силы (кластер II) и пройденные сильным пожаром (кластер III). Наибольшей дискриминирующей мощностью (95%) в определении болотных вод обладают ионы магния и гидрокарбонаты.

3. Воды исходного типа водно-минерального питания относятся к классу нейтральных и слабощелочных, семейству пресных гидрокарбонатных кальциево-магниевых, бедных растворенным органическим веществом, по величине жесткости – к мягким. Под воздействием пожара средней силы болотные воды, сохраняя статус пресных, переходят в категорию жестких. Сильный пожар способствует значительному увеличению общей минерализации (∑_и > 1000 мг/л) и воды трансформируются в слабосолоноватые, очень жесткие. Независимо от силы пожара воды болотного ельника эутрофного ряда развития сохраняют слабощелочную реакцию среды и остаются обедненными водорастворимым органическим веществом.