1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Лесоведение
  4. № 5, 2019

Лесоведение, 2019, № 5, стр. 410-422

Глубина прогорания торфа и потери углерода при лесном подземном пожаре

А. А. Сирин a, *, Д. А. Макаров a, И. Гуммерт b, А. А. Маслов a, Я. И. Гульбе a

a Институт лесоведения Российской академии наук
143030 Московская обл., п/о Успенское, Советская 21, Россия

b Университет Грайфсвальда
D-17487 Грайфсвальд, Зольдманштрасе 15, Германия

* E-mail: sirin@ilan.ras.ru

Поступила в редакцию 13.02.2019
После доработки 29.04.2019
Принята к публикации 05.06.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Среди лесных пожаров подземные (торфяные) лидируют по объему сгораемого материала на единицу площади и, соответственно, влиянию на изменение климата, однако отличаются сложностью оценки потерь почвенного углерода и поступления его в атмосферу. На примере гари лесоторфяного пожара 2010 г. в Московской области площадью 9 га с различным составом исходного древостоя определены глубина прогорания и потери почвенного углерода путем восстановления допожарной поверхности почвы по корневой шейке пней, а также сравнения характеристик торфа на сгоревших и прилегающих к гари площадях. Средняя (медиана) глубины прогорания составила 15 ± 8 (14) см при варьировании на разных участках от 13 ± 5 (11) до 20 ± 9 (19) см. Глубина прогорания возрастала с относительной высотой поверхности и была максимальной на участках с преобладанием осины. По данным послойного определения объемного веса, зольности и содержания углерода в торфе получены зависимости запаса углерода от мощности торфа. На их основе, а также по данным глубины прогорания оценены потери углерода, которые составили для гари в среднем (медиана) 9.8 ± 5.57 (9.22) кг м–2 при варьировании на разных участках от 8.61 ± 3.75 (7.39) до 12.9 ± 6.18 (12.3) кг м–2, что равноценно единовременному выбросу почти 400 т СО2 га–1 и, как минимум, в 1.5 раза выше возможного поступления CO2 в атмосферу от потери углерода биомассы произраставшего здесь древостоя с запасом стволовой древесины более 280 м3 га–1. Результаты соответствуют верхней границе оценок потерь почвенного углерода, полученных зарубежными авторами, и подтверждают недооцененность фактора подземных (торфяных) пожаров в бореальной зоне по сравнению с тропиками и в целом при рассмотрении влияния лесных и болотных экосистем на газовый состав атмосферы и климат.

Ключевые слова: лесные пожары, подземные пожары, торфяные пожары, болота, торф, углерод, изменение климата, парниковые газы, диоксид углерода.

Лесные пожары оказывают огромное влияние на газовый состав атмосферы как в результате “пожарных” эмиссий, происходящих непосредственно при пожарах, так и в ходе дальнейших экологических изменений на гарях (Исаев и др., 1995). Особыми последствиями отличаются подземные (торфяные) пожары, возникающие при распространении низовых и верховых возгораний в торфяные почвы. Проникая глубоко в торфяную почву, огонь повреждает корни деревьев и способствует гибели древостоя (Вомперский и др., 2007), а с учетом высокой заболоченности лесной зоны и значительной доли покрытия болот и заболоченных мелкооторфованных земель лесной и редколесной растительностью (Вомперский и др., 2011), вероятность возникновения и распространения лесных торфяных пожаров весьма значительна.

Торфяные пожары лидируют среди всех так называемых природных пожаров по величине сгораемого материала на единицу площади (Huang, Rein, 2017). Поступление углерода в атмосферу в результате торфяных пожаров может достигать 15% всех антропогенных эмиссий (Poulter et al., 2006), причем такие пожары происходят на всех континентах (Hu et al., 2018). В нашей стране торфяные пожары бывают во всех природных зонах, где есть болота (Minayeva et al., 2013), однако наиболее часто они происходят в лесной зоне, где являются естественным фактором развития не только многих лесных, но и нередко болотных экосистем (Минаева, Сирин, 2002; Сирин и др., 2011). Вероятность возникновения и интенсивность торфяных пожаров будут усиливаться из-за изменения климата и антропогенных воздействий (Flannigan et al., 2009; Сирин и др., 2011; Turetsky et al., 2015; Joosten et al., 2016); они рассматриваются как факторы, в наибольшей степени угрожающие болотам лесной зоны (Assessment…, 2008; Минаева, Сирин, 2011; IPBES, 2018).

Указывая на значительное влияние торфяных пожаров на изменение климата, Межправительственная группа экспертов по изменениям климата – МГЭИК (IPCC 2014, 2013) отмечает сложность учета, методические проблемы и недостаток натурных оценок потерь углерода при торфяных пожарах (Joosten et al., 2016). В отличие от тропиков, данных по торфяным пожарам в нетропических регионах мира и, прежде всего, в таежной зоне существенно меньше, хотя частота пожаров здесь может быть выше, длительность – больше, а последствия – серьезней (Turetsky et al., 2015). В отличие от потерь при сгорании биомассы, оценка которых аналогична оценкам в лесных экосистемах, наиболее сложно определить величину сгорания торфа. Были предложены методы оценки, основанной на разнице концентраций золы в верхнем сгоревшем и нижележащих, не пострадавших горизонтах почвы (Turetsky, Weider, 2001) путем сравнения до- и послепожарной поверхности, определенных по разновременным данным лидара (LiDAR) – лазерного дальномера с высоты более 2 тыс. м (Reddy et al., 2015), а также по положению корневой шейки деревьев (Davies et al., 2013). При небольшом числе оценок потери углерода в результате торфяных пожаров для бореальной зоны – для нашей страны они практически единичны – и были получены путем определения концентрации золы на поверхности сгоревшего торфа (Глухова, Сирин, 2018). В данной работе была сделана попытка оценки потерь почвенного углерода при торфяном пожаре путем восстановления исходной поверхности почвы по положению корневой шейки пней деревьев для верификации и апробации данного метода (Davies et al., 2013) и получения конкретных данных о величине поступления углерода торфа в атмосферу.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Объект был определен при обследовании торфяных гарей, образовавшихся после катастрофических пожаров 2010 г., в рамках оценки последствий пожаров и эффективности мероприятий по обводнению для предотвращения торфяных пожаров (О состоянии …, 2016). Он расположен в наиболее заболоченной восточной части Московской области (Сирин и др., 2014), в западной части Мещёрской низменности, в Шатурском районе (55°37′38.75″ с.ш., 39°34′32.50″ в.д.). Территория относительно выровнена, сильно заболочена, крупные понижения заняты озерами. Многие болота были осушены для добычи торфа, местами – для лесного хозяйства. Вероятно, в первой половине XX в. изучаемый участок был также частично осушен: в восточной части гари, у дороги и в примыкающем с юга лесу сохранились лесомелиоративные каналы. С юга и севера к гари примыкает лес неоднородного состава и возраста с преобладанием березы, осины, ольхи черной и сосны и с небольшим размером условных выделов. На востоке участок граничит с автомобильной дорогой, на западе – с озером.

Участок смешанного леса площадью 9 га летом 2010 г. был пройден низовым и частично верховым пожаром. В условиях экстремальной засухи пожар перешел в категорию подземного (торфяного). Начальная фаза возгорания возле шоссе была зафиксирована на снимке QuickBird от 25.07.2010 г., а к середине августа пожар уже завершился (снимок Landsat 5 от 18.08.2010 г.). Согласно съемке Ikonos от 12.06.2011 г., к началу лета 2011 г. на месте гари образовались завалы из упавших, но лишь частично сгоревших стволов деревьев (рис. 1). К началу наших исследований в 2013 г. объект представлял собой зарастающую вырубку – остатки погибших стволов были распилены и вывезены; сохранились отдельные сухостойные стволы и часть пней погибших деревьев (Маслов и др., 2017).

Рис. 1.

Восстановление допожарной поверхности уровня почвы по корневой шейке деревьев (a) и отбор образцов торфа для определения объемного веса и других характеристик (б).

Сгоревший участок находился вне границ земель лесного фонда, что потребовало проведения специальной работы по восстановлению допожарных характеристик лесных насаждений на гари по данным космической съемки и полевых наблюдений. В результате классификации допожарного снимка Spot 5 на территорию гари и прилегающую несгоревшую территорию получена карта, включающая 6 лесных тематических классов и 1 нелесной (рис. 2). Идентификацию тематических классов (определение видового состава и других характеристик растительности) осуществляли путем лесоводственно-геоботанических описаний в пределах выделов каждого тематического класса вне площади гари. Для расчета запаса стволовой древесины в каждом из этих классов в буферной зоне гари заложили пробные площади, где проводили перечет деревьев по стандартной методике. Запас стволовой древесины на пробной площади (в пересчете на 1 га) определяли согласно таблицам объема стволов, а для черной ольхи и березы – с использованием регрессионных уравнений. Площадь, занимаемую выделами тематического класса в пределах гари, определяли средствами ГИС (Маслов и др., 2017).

Рис. 2.

Схема классификации древесных насаждений до пожара с расположением пробных площадей. Цифрами обозначены: а – сосняк с березой; б – березняк с единичной сосной; в – осинник с березой и сосной; г – осинник с березой и черной ольхой; д – березняк с черной ольхой; е – черноольшаник; ж – нелесные участки, з – граница рассматриваемой гари; и – пробные площади.

Оказалось, что наибольшую площадь в пределах гари занимают участки смешанных березняков и осинников разного возраста, местами с примесью ольхи черной или сосны. Для понижений мезорельефа характерны заболоченные участки с редкостойной березой и ольхой черной, а также участки с молодняками ольхи. Расчеты потерь углерода в результате гибели древостоя проводились в два этапа. На первом этапе на основе регрессионных моделей определяли массу деревьев по фракциям (для каждой древесной породы). Суммированием этих величин была получена надземная фитомасса деревьев, а также запас и надземная фитомасса различных пород на пробных площадях. Полученные результаты пересчитывались на площадь в 1 га. На втором этапе проводилась конверсия фитомассы в углерод с использованием единых для всех древесных пород коэффициентов: 0.5 − для древесных фракций и 0.45 − для ассимилирующих органов (Уткин и др., 2001). Суммарные потери углерода в абсолютных величинах (на гарь) были получены с учетом площади выделов разных классов в пределах гари.

Для гипсометрической привязки поверхности была проведена нивелировка гари по 7 трансектам, которые пересекались примерно под прямым углом и относительно равномерно покрывали всю площадь участка. Предельное расстояние от нивелира до точек измерения не превышало 150 м, шаг нивелировки составлял 2 м. Изучение стратиграфии залежи проводилось с помощью бура ТБГ-1 по трансектам, определение мощности залежи – дополнительно торфяным щупом.

Восстановление исходной допожарной поверхности гари проводилось по корневой шейке сохранившихся пней деревьев (Davies et al., 2013). У хорошо сохранившихся пней фиксировали диаметр и брали спилы для установления возраста дерева (рис. 1). Видовая принадлежность была установлена для 306 сохранившихся пней. Эти данные были также использованы для проверки тематических классов, полученных при классификации космоснимка (Маслов и др., 2017). Часть небольших пней была раздавлена тяжелой техникой при разработке гари, некоторые небольшие деревья, видимо, сгорели полностью. Вероятно, наиболее пострадали пни осины, из-за меньшей механической прочности по сравнению с другими породами. Общее число упавших стволов, которое составило 393, было подсчитано по снимку Ikonos 2011 г., сделанному до начала разработки гари (Маслов и др., 2017). Привязка сохранившихся пней проводилась с помощью GPS-приемника Garmin 62s по космическому снимку высокого разрешения Ikonos от 12.06.2011 г. (RGB-синтез с пространственным разрешением 1 м).

Измерение уровня поверхности гари от корневой шейки каждого пня проводилось рулеткой с повторностью 4–5 точек по окружности на расстоянии примерно 50 см от пня. Измерялась глубина прогорания, равная расстоянию от среднего уровня почвы в локальном микрорельефе с участием 2–3 пней до предполагаемого на том же участке уровня почвы до пожара, примерно совпадающего с корневой шейкой дерева. Полученное распределение глубины прогорания на гари стало основанием расчета объема потери торфа.

На гари выявлены пни березы, осины, сосны, ольхи черной. Положение корневой шейки относительно поверхности торфяных почв может отличаться для разных пород деревьев и условий местопроизрастания. Для учета этих факторов было определено положение корневой шейки для разных пород деревьев на лесных участках, примыкающих к гари. Результаты показали, что поправка на положение корневой шейки в допожарных условиях необходима, главным образом, для ольхи черной. При относительно небольшой ее представленности на гари в расчетах этот фактор не учитывался.

Отбор послойных характеристик торфа до глубины 50 см проводился на 8 пробных площадях (пр. пл.) 5 × 5 метров, расположенных на гари (пр. пл. 3, 4, 7 и 8), и на пробных площадях на примыкающем, не затронутом пожаром участке леса (пр. пл. 1, 2, 5 и 6). Последние характеризуют участки с разным древостоем: на пр. пл. 1 – преобладает береза высотой до 20 м и сосна до 22 м; на пр. пл. 2 – береза до 27 м и сосна до 27 м; на пр. пл. 5 – только ольха черная высотой до 20 м; на пр. пл. 6, непосредственно примыкающей к границе гари, – береза и осина высотой до 25 м.

Пробы торфа отбирались из почвенных разрезов с помощью металлической конструкции из нержавеющей стали П-образной формы шириной 20 см и глубиной 11 см, которая заточенными краями врезалась в боковую стенку разреза (рис. 1). Извлеченный монолит торфа делился на равные горизонты мощностью 5 см, для которых определялась объемная масса в двукратной повторности. Параллельно отбирались образцы для определения ботанического состава и степени разложения торфа. Содержание углерода в образцах определялось по двум навескам сухого измельченного торфа массой 2–3 г; ботанический состав и степень разложения (R) торфа – микроскопическим методом и методом центрифугирования; объемная масса – после высушивания при 105°С; зольность – прокаливанием при температуре 800°С; содержание С – на элементном анализаторе vario MICRO cube (Elementar, Германия), сгорание образца при температуре 1140°С, разделение газов с помощью метода программируемой ступенчатой десорбции – TPD (Temperature Programmed Desorption), в трехкратной повторности.

Обработка данных проводилась в программе Excel, построение поверхностей – в программе Surfer 11 Golden Software, пространственной информации – в ГИС MapInfo.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В северо-западной части гари не было найдено ни одного пня, поэтому она была исключена из анализа, и в результате рассматриваемая площадь гари составила 8.1 га. Согласно стратиграфическим обследованиям, средняя мощность торфа на гари после пожара – 0.9 м, а максимальная (в центре участка) и в лесу за южной границей достигает 1.5 м. В северной части гари мощность залежи уменьшается, и местами на поверхность выходит минеральный грунт. Нивелировка поверхности гари показала, что перепад высот в ее пределах достигает почти 2 м. Высота поверхности растет с юго-запада на северо-восток. Отмечаются отдельные локальные повышения в центре гари, а также в начале и на границе выступающего контура, направленного на запад.

Глубина прогорания торфа

Глубина прогорания была определена для всех выявленных 306 пней деревьев. Путем интерполяции данных по отдельным пням получена регулярная сетка 1 × 1 м значений глубины прогорания торфа, на основании которой построена карта изолиний глубины прогорания торфа (рис. 3), а также с использованием данных нивелировки – карта восстановленной (исходной до пожара) поверхности гари.

Рис. 3.

Глубина прогорания торфа, м.

Анализ глубины прогорания, полученной для точек расположения пней деревьев, выявил общую тенденцию увеличения прогорания торфа с увеличением относительной высоты восстановленной (исходной до пожара) поверхности почвы (рис. 4). Более интенсивное горение гипсометрически возвышенных участков объяснимо: во-первых, их лучшая дренированность снижает влажность торфа, во-вторых, вероятно, приподнятые участки сильнее подвергаются воздействию огня.

Рис. 4.

Зависимость глубины прогорания от относительной высоты исходной поверхности почвы, восстановленной по корневой шейке пней деревьев разных пород, 1 – сосна; 2 – береза; 3 – осина; 4 – ольха черная; 5 – неопределенные.

Глубина прогорания значительно варьировала между участками с выделенными условными классами древостоя, показанными на рис. 2. Средние значения глубины прогорания от 13 до 15 см были характерны для всех участков, за исключением осинника с березой и сосной – 20 ± 9 см (табл. 1). Немногим меньше средних были медианы значений прогорания – 11–15 и 19 см. Близость средних и медианных значений может свидетельствовать о симметричности распределения значений глубин прогорания торфа. При этом распределение глубин прогорания для участков с разным древостоем отличалось (рис. 5). Оно было близким для сосняка с березой и березняка с единичной сосной, для которых при средних (14 ± 5 и 15 ± 6) и медиане (13 и 14) максимальные значения не превышали 32 см. Диапазон глубин прогорания был шире для осинника с березой и сосной – 20 ± 9 и 19 см (среднее M и стандартное отклонение S, медиана Mе), осинника с березой и черной ольхой (13 ± 8, 12) и березняка с черной ольхой (15 ± 8, 15), где максимальные значения глубины прогорания торфа достигали 50 см и более. Особенно хорошо это видно для осинника с березой и ольхой (рис. 5), который характеризовался и максимальными средними значениями прогорания.

Таблица 1.  

Глубина прогорания и потери углерода для условных классов древостоя

  Сосняк с березой Березняк с единичной сосной Осинник с березой и сосной Осинник с березой и черной ольхой Березняк с черной ольхой Черная ольха Нелесные Гарь в целом
Площадь
га 0.48 0.98 0.67 3.11 2.25 0.08 0.51 8.08
% 6.0 12.1 8.3 38.5 27.8 1.0 6.3 100
Глубина прогорания, см
M 14 15 20 13 15 13 17 15
S 5 6 9 8 8 5 7 8
max 32 32 50 50 51 27 35 51
min 3 1 6 0 0 5 4 0
Me 13 14 19 12 15 11 17 14
Потери углерода, кг м–2
M 9.22 9.8 12.9 8.61 9.8 8.61 11.0 9.8
S 3.75 4.35 6.18 5.57 5.57 3.75 4.96 5.57
max 20.2 20.2 31.1 31.1 31.7 17.1 22.0 31.7
min 2.53 1.31 4.35 0 0 3.75 3.14 0
Me 8.61 9.22 12.3 8.0 9.8 7.39 11.0 9.22

Примечание: M – среднее арифметическое, S – стандартное отклонение, Mе – медиана.

Рис. 5.

Распределение глубин прогорания внутри выделенных условных классов древостоя, в % от площади класса. а – сосняк с березой; б – березняк с единичной сосной; в – осинник с березой и сосной; г – осинник с березой и черной ольхой; д – березняк с черной ольхой; е – черноольшаник.

Полученные оценки близки к опубликованным ранее зарубежным и отечественным данным глубины прогорания почвы при торфяных пожарах для болот лесной зоны (Dyrness, Norum, 1983; Ефремова, Ефремов, 1994; Miyanishi, Johnson, 2002; Kasischke, Johnstone, 2005; Вомперский и др., 2007; Копотева, Купцова, 2016; и др.) и подтверждают отмечаемую большинством авторов неравномерность по площади прогорания торфяных почв.

Потери почвенного углерода

Послойные характеристики торфа, включая ботанический состав, степень разложения (R), зольность, объемный вес и содержание углерода были получены по 8 разрезам, приуроченным к пробным площадям, расположенным на гари и вне ее, на прилегающей, не затронутой пожаром территории (табл. 2). На основании этих данных рассчитан запас углерода в каждом 5-сантиметровом горизонте торфа. Разрезы характеризуют различные, однако сравнимые по данным реконструкции допожарного древесного покрова (рис. 2), горелые и негорелые участки, а разрезы на пр. пл. 6 (вне гари) и 7 (гарь) расположены рядом по обе строны границы распространения огня.

Таблица 2.  

Характеристика торфа на пробных площадях

H, см Вид торфа R, % A, % B,
г см–3		 С, % VС, кг м–3 Вид торфа R, % A, % B,
г см–3		 С, % VС,
кг м–3
пр. пл. 1 (вне гари)   пр. пл. 8 (гарь)
0–5 Древесный – 21.8 0.17 50.9 3.33 × × × × × ×
5–10 Древесный 35 18.0 0.20 52.1 4.28 × × × × × ×
10–15 Древесный 30 10.4 0.19 54.9 4.75 – – 55.8 0.13 30.8 0.88
15–20 Древ.-сф. 30 3.0 0.14 54.7 3.79 Пушиц. – 23.5 0.39 38.2 5.69
20–25 Древ.-сф. 30–35 1.9 0.15 53.8 3.92 Пушиц. 30–35 4.1 0.31 55.1 8.19
25–30 Пушиц. 30 2.0 0.18 52.5 4.50 – – – – – –
30–35 – – 3.9 0.16 51.2 3.89 – – – – – –
35–40 – – 4.9 0.16 58.9 4.35 – – – – – –
40–45 – – 2.1 0.22 52.4 5.74 – – – – – –
45–50 – – 1.8 0.16 52.1 4.09 – – – – – –
пр. пл. (вне гари)   пр. пл. (гарь)
0–5 – 40–45 27 0.17 44.9 2.79 × × × × × ×
5–10 Древ.-сф. 40 17.8 0.17 45.6 3.18 Магеллан. 30 26 0.17 49.7 3.13
10–15 Древ.-сф. 35–40 14 0.19 52.8 4.32 Магеллан. 20 4.2 0.13 53.3 3.31
15–20 Древ.-сф. 30–35 2.2 0.16 55.1 4.31 Магеллан. 30 2.8 0.12 49.4 2.88
20–25 Сфагновый 30 2.5 0.18 53.7 4.71 – – 2.7 0.11 51.2 2.73
25–30 Магеллан. 30 3.2 0.17 52.4 4.31 – – 1.3 0.09 48.7 2.16
30–35 – – 2.3 0.16 51.8 4.04 – – 1.4 0.08 51.1 2.01
35–40 – – 2.0 0.16 53.8 4.21 – – 1.4 0.09 50.2 2.23
40–45 – – 2.0 0.15 50.4 3.70 – – 1.1 0.07 48.7 1.68
45–50 – – 2.8 0.15 53.9 3.93 – – 1.1 0.07 49.7 1.72
пр. пл. 6 (вне гари)   пр. пл. 7 (гарь)
0–5 – 40–45 27.5 0.27 50.3 3.36 × × × × × ×
5–10 Сосн.-пуш. 40 5.4 0.2 34.3 5.28 × × × × × ×
10–15 Пушиц. 35 3.1 0.13 53.7 3.48 × × × × × ×
15–20 Магеллан. 35 2.2 0.16 55.8 4.31 – – 1.9 0.13 34.5 2.20
20–25 Магеллан. 25 3.0 0.12 55.2 3.03 Пушиц. 35 4.1 0.15 50.1 3.61
25–30 Пушиц. 35 3.8 0.07 55.2 1.75 Пушиц. 25–30 41.1 0.35 25.5 2.63
30–35 – – 4.0 0.08 51.9 2.33 – – 1.6 0.11 52.9 2.86
35–40 – – 2.2 0.1 51.9 2.62 – – 2.0 0.08 52.1 2.04
40–45 – – 2.2 0.07 60.8 1.75 – – 1.5 0.09 52.5 2.32
45–50 – – 1.8 0.1 53.7 2.72 – – 1.7 0.21 49.1 5.07
пр. пл. 5 (вне гари)   пр. пл. 4 (гарь)
0–5 Древесный 45 18.5 0.14 48.9 2.79 × × × × × ×
5–10 Сфагновый 40 16.7 0.12 49.5 2.37 × × × × × ×
10–15 Магеллан. 25 3.9 0.16 49.5 3.69 × × × × × ×
15–20 – – – – – – – – 29.5 0.17 29.7 1.78
20–25 – – – – – – Пушиц.-сф. 20 10.6 0.18 50.4 4.06
25–30 – – – – – – Сосновый 40–45 3.5 0.17 57.0 4.59
30–35 – – – – – – – – 3.7 0.15 58.4 3.72
35–40 – – – – – – – – 2.8 0.12 51.4 2.91
40–45 – – – – – – – – 2.0 0.12 49.8 2.82
45–50 – – – – – – – – 2.2 0.1 48.0 2.54

Примечание. H – глубина горизонта, см; R – степень разложения, %; A – зольность, %; В – объемный вес, г см–3; С – содержание углерода в сухом торфе, %; AC – запас углерода в горизонте торфа, кг м-2; пр. пл. – пробные площади; торфа: др.-сфагн. – древесно-сфагновый, пушиц. – пушицевый, магеллан. – магелланикум, сосн.-пуш. – сосново-пушицевый, пушиц.-сф. – пушицево-сфагновый; × – выгоревший горизонт торфа; – нет данных.

Для всех расположенных вне гари разрезов выявлена повышенная зольность верхних 5 см (пр. пл.), 10 см (пр. пл. 5) и 15 см (пр. пл. 1 и 2) торфяной почвы – до 20% и более. Таким образом, она многократно превосходит зольность нижележащих горизонтов (табл. 2), значения которой не превышают 3–4%, характерных для верховых торфов. Повышенная зольность – результат ветрового разноса золы с гари.

По содержанию углерода в 5-сантиметровых слоях горизонтов всех разрезов (табл. 2) были получены значения запаса углерода нарастающим итогом с шагом 5 см и построена их зависимость от глубины (рис. 6). С учетом относительно небольшого разброса данных было решено ограничиться общей для всех разрезов зависимостью запаса углерода от глубины (рис. 6), которая была использована для расчета потерь углерода на основе данных глубины прогорания почвы (табл. 1).

Рис. 6.

Зависимость запаса почвенного углерода от мощности торфяного слоя.

Наибольшие значения потери углерода были получены для осинника с березой и сосной – 12.9 ± 6.18 (средняя) и 12.3 (медиана). Здесь, а также на участках осинника с черной ольхой и березняка с черной ольхой потери углерода достигали локальных значений 30 кг м–2 и выше, в других случаях они обычно не превышали 20 кг м–2. Наименьшие потери были характерны для черноольшаника – 8.61 ± 3.75 (средняя) и 7.39 (медиана). В остальных случаях они варьировали от 9.22 ± 3.75 (средняя) и 8.0 (медиана) до 11.0 ± 4.96 и 11.0 кг м–2. Средняя потеря почвенного углерода для всей гари составила 9.8 ± 5.57, а медиана 9.22 кг м–2, что соответствует 98 и 92 т С га–1.

Полученные данные находятся в верхней части диапазона значений потерь почвенного углерода при торфяных пожарах, представленных другими авторами, которые мало отличаются для Северной Америки – 15–25 т С га–1 и для Северной Европы и Азии –17–23 т С га–1 (Benscoter, Wieder, 2003). Сравнение результатов полевых определений потерь почвенного углерода при торфяных пожарах в таежной (boreal) и умеренной (temperate) зонах показало, что при ограниченном числе их средние значения составляют 22–28 т С га–1, хотя имеются и более скромные оценки – 11–15 т С га–1 (Davies et al., 2013). В этот же диапазон попадают и наши данные, полученные ранее, – среднее 4.3–28.7, медиана 22–29.7 т С га–1 (Глухова, Сирин, 2018).

Однако на этом фоне результаты данного исследования не являются исключительными. Значения потерь углерода при торфяных пожарах в таежной и умеренной зонах, достигающие и даже превышающие 100 т С га–1, были показаны и другими авторами (Poulter et al., 2006; Turetsky et al., 2011; Davies et al., 2013). Основная причина полученных нами высоких значений потерь почвенного углерода, видимо, связана с проведенным ранее частичным осушением участка. Установлено, что более низкий уровень почвенно-грунтовых вод, чему способствует осушение, увеличивает глубину прогорания торфяной почвы (Вомперский и др., 2007) и, соответственно, потерю почвенного углерода (Глухова, Сирин, 2018). Другая немаловажная причина – осушение, которое способствует усадке почвы, ее уплотнению и увеличению относительного содержания углерода на единицу слоя. Сравнение неосушенного и осушенного участков показало, что глубина прогорания была 7 и 19 см, а потери углерода во втором случае были выше в 9 раз, достигнув 170 т С га–1 (Turetsky et al., 2011). Все это свидетельствует о том, что и глубина прогорания почвы, и величина потери углерода, определяющие поступление диоксида углерода в атмосферу, будут существенно выше в случае осушенных торфяных почв, являясь кроме того дополнительным фактором увеличения опасности их возгорания.

Полученные оценки потери почвенного углерода в целом для гари – 98 (средняя) и 92 (медиана) т С га–1 существенно превышают потенциальные потери углерода, связанные с утерей живой фитомассы. Даже после интенсивного пожара, переходящего в верховой, бóльшая часть стволов деревьев сохраняется, нередко на корню. Однако в условиях торфяных почв даже несильные низовые пожары могут иметь гибельные последствия для древостоя за счет заглубления огня и повреждения сосущих корней (Вомперский и др., 2007). Погибшие деревья в лучшем случае назначаются в рубку, в худшем остаются и постепеннно разлагаются. В нашем случае запасы углерода фитомассы древесного яруса с запасом стволовой древесины более 280 м3 га–1 (Маслов и др., 2017) составили в среднем для гари 60 т га–1, что, как минимум, в 1.5 раз меньше полученных оценок потери почвенного углрода. Потерю углерода при сгорании фитомассы напочвенного яруса и возможного развитого местами подлеска мы не учитывали, однако ее значения не могли существенно повлиять на общую картину соотношения потерь.

Потери почвенного углерода в случае рассматриваемого подземного (торфяного) пожара могли привести к единовременному выбросу в атмосферу почти 400 т СО2 га–1. При аналогичной потере торфа на единицу площади в 96 т С га–1 отмечается, что пожар площадью 4.1 га мог составить 0.1–0.3% диоксида углерода, поглощаемого всеми болотами Великобритании (Davies et al., 2013). Даже без учета сгорания напочвенного покрова и части фитомассы древостоя при пожаре, а также последующего разложения и/или утилизации древесины только потери почвенного углерода являются весьма значительным фактором поступления диоксида углерода в атмосферу. Для сравнения потери углерода при интенсивной фрезерной добыче торфа составили 25–32 т С га–1 год–1, путем эмиссии CO2 при деструкции открытого торфа на заброшенных полях торфодобычи – 1.6–4.7, с неиспользуемых сенокосов – 0.8 т С га–1 год–1 (Суворов и др., 2015). Если исходить из приведенной здесь же, полученной по данным 14С-датирования и запасу углерода в торфе долговременной кажущейся скорости накопления С (long-term apparent rate of carbon accumulation – LORCA) – 14–17 гС м–2 год–1, рассматриваемый пожар привел к потере углерода, накопленного в залежи за 600–700 лет.

Заключение. Подземные (торфяные) пожары отличаются сложностью оценки потерь почвенного углерода. Изучение гари лесоторфяного пожара 2010 г. в Московской области площадью 8 га с различным составом исходного древостоя подтвердило возможность определения глубины прогорания и потери почвенного углерода путем восстановления допожарной поверхности почвы по корневой шейке пней и сравнения характеристик торфа на сгоревших и прилегающих к гари площадях.

Средняя (медиана) глубины прогорания составила 15 ± 8 (14) см при варьировании на разных участках от 13 ± 5 (11) до 20 ± 9 (19) см. Глубина прогорания возрастала с относительной высотой поверхности и была максимальной на участках с преобладанием осины. Полученные оценки близки к опубликованным ранее зарубежным и отечественным данным для торфяных пожаров в лесной зоне и подтверждают отмечаемую большинством авторов неравномерность по площади прогорания торфяных почв. Максимальные значения глубины прогорания торфа достигали 50 см и более. Выявлена тенденция увеличения прогорания торфа с увеличением относительной высоты восстановленной (исходной до пожара) поверхности почвы, вероятно, по причине лучшей дренированности таких участков.

По данным послойного определения объемного веса, зольности и содержания углерода в торфе получены зависимости потерь углерода от глубины прогорания почвы, которая составила для гари в среднем (медиана) 9.8 ± 5.57 (9.22) кг м–2 при варьировании на разных участках от 8.61 ± 3.75 (7.39) до 12.9 ± 6.18 (12.3) кг м–2. Полученные данные находятся в верхней части диапазона значений потерь почвенного углерода при торфяных пожарах в таежной (boreal) и умеренной (temperate) зонах, представленных зарубежными и отечественными исследованиями: значения, превышающие 100 т С га–1, были показаны и другими авторами. Полученные высокие значения связаны с частичным осушением участка, которое способствовало более глубокому прогоранию и, за счет уплотнения почвы, большей потере углерода на единицу глубины.

Потери почвенного углерода в случае рассматриваемого подземного (торфяного) пожара могли привести к единовременному выбросу в атмосферу почти 400 т СО2 га–1, что, как минимум, в 1.5 раза выше возможного поступления CO2 в атмосферу от потери углерода биомассы произраставшего здесь древостоя с запасом стволовой древесины более 280 м3 га–1. Результаты подтверждают недооцененность фактора подземных (торфяных) пожаров в бореальной зоне по сравнению с тропиками и в целом при рассмотрении влияния лесных и болотных экосистем на газовый состав атмосферы и климат.

Авторы благодарят за помощь в поиске и выборе объекта исследований С. Абель (Susanne Abel) и А. Хаберла (Andreas Haberl) из Грайсфальдского болотного центра (Greifswald Mire Center), Ю.А. Гопиуса и А.В. Маркину (ИЛАН РАН) за помощь в полевых исследованиях, О.Н. Успенскую (ФГБНУ ФНЦО/ ИЛАН РАН) за определение ботанического состава и степени разложения торфа, Г.Г. Суворова (ИЛАН РАН) за определение элементного состава торфа, Т.В. Глухову и М.М. Журавкову (ИЛАН РАН) за комментарии по рукописи статьи.

Список литературы

  1. Вомперский С.Э., Глухова Т.В., Смагина М.В., Ковалев А.Г. Условия и последствия пожаров в сосняках на осушенных болотах // Лесоведение. 2007. № 6. С. 35–44.

  2. Вомперский С.Э., Сирин А.А., Сальников А.А., Цыганова О.П., Валяева Н.А. Оценка площади болотных и заболоченных лесов России // Лесоведение. 2011. № 5. С. 3–11.

  3. Глухова Т.В., Сирин А.А. Потери почвенного углерода при пожаре на осушенном лесном верховом болоте // Почвоведение. 2018. № 5. С. 580–588.

  4. Ефремова Т.Т., Ефремов С.П. Торфяные пожары как экологический фактор развития лесоболотных экосистем // Экология. 1994. № 5. С. 27–34.

  5. Исаев А.С., Коровин Г.Н., Сухих В.И., Титов С.П., Уткин А.И., Голуб А.А., Замолодчиков Д.Г., Пряжников А.А. Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовосстановления и лесоразведения в России (аналитический обзор). М.: Центр экологической политики России, 1995. 156 с.

  6. Копотева Т.А., Купцова В.А. Влияние пожаров на функционирование фитоценозов торфяных болот Среднеамурской низменности // Экология. 2016. № 1. С. 14–21.

  7. Маслов А.А., Гульбе Я.И., Макаров Д.А., Сирин А.А.Восстановление допожарных характеристик лесных насаждений на гари по данным космической съемки и полевых наблюдений [Электронный ресурс] // Лесохозяйственная информация: электронный сетевой журнал. 2017. № 4. С. 73–84. URL: http://lhi.vniilm.ru/

  8. Минаева Т.Ю., Сирин А.А. Торфяные пожары – причины и пути предотвращения // Наука и промышленность. 2002. № 9. С. 3–8.

  9. Минаева Т.Ю., Сирин А.А. Биологическое разнообразие болот и изменение климата // Успехи современной биологии. 2011. Т. 131. № 4. С. 393–406.

  10. О состоянии природных ресурсов и окружающей среды Московской области в 2015 году / Под ред. Когана А.Б. Красногорск: ИП Алексашин А.А., 2016. 206 с.

  11. Сирин А., Минаева Т., Возбранная А., Барталев С. Как избежать торфяных пожаров? // Наука в России. 2011. № 2. С. 13–21.

  12. Сирин А.А., Маслов А.А., Валяева Н.А., Цыганова О.П., Глухова Т.В. Картографирование торфяных болот Московской области по данным космической съемки высокого разрешения // Лесоведение. 2014. № 5. С. 65–71.

  13. Суворов Г.Г., Чистотин М.В., Сирин А.А. Потери углерода при добыче торфа и сельскохозяйственном использовании осушенного торфяника в Московской области // Агрохимия. 2015. № 11. С. 51–62.

  14. Уткин А.И., Замолодчиков Д.Г., Честных О.В., Коровин Г.Н., Зукерт Н.В. Леса России как резервуар органического углерода биосферы // Лесоведение. 2001. № 5. С. 8–23.

  15. Assessment on peatlands, biodiversity and climate change: main report / Eds. Parish F., Sirin A., Charman D., Joosten H., Minayeva T., Silvius M., Stringer L. Kuala Lumpur: Global Environment Centre, and Wageningen: Wetlands International, 2008. 118 p.

  16. Benscoter B.W., Wieder R.K. Variability in organic matter lost by combustion in a boreal bog during the 2001 Chisholm fire // Canadian Journal of Forest Research. 2003. V. 33. P. 2509–2513.

  17. Davies G.M., Gray A., Rein G., Legg C.J. Peat consumption and carbon loss due to smouldering wildfire in a temperate peatland // Forest Ecology and Management. 2013. V. 308. P. 169–177. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2013.07.051

  18. Dyrness C.T., Norum R.A. The effects of experimental fires on black spruce forest floors in interior Alaska // Canadian Journal of Forest Research. 1983. V. 13. P. 879–893.

  19. Flannigan M., Stocks B., Turetsky M., Wotton M. Impacts of climate change on fire activity and fire management in the circumboreal forest // Global Change Biology. 2009. V. 15. P. 549–560.

  20. Hu Y., Fernandez-Anez N., Smith T.E.L., Rein G. Review of emissions from smouldering peat fires and their contribution to regional haze episodes // International Journal of Wildland Fire. 2018. V. 27. P. 293–312. https://doi.org/10.1071/WF17084

  21. Huang X., Rein G. Downward spread of smouldering peat fire: the role of moisture, density and oxygen supply // International Journal of Wildland Fire. 2017. V. 26. P. 907–918. https://doi.org/10.1071/WF16198

  22. IPBES (2018): The IPBES regional assessment report on biodiversity and ecosystem services for Europe and Central Asia. Eds. Rounsevell M., Fischer M., Torre-Marin Rando A., Mader A. (eds.). Secretariat of the Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services, Bonn, Germany, 2018. 892 p.

  23. IPCC 2014, 2013 Supplement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories: Wetlands / Eds. Hiraishi T., Krug T., Tanabe K., Srivastava N., Baasansuren J., Fukuda M., Troxler T.G. Published: IPCC, Switzerland.

  24. Joosten H., Sirin A., Couwenberg J., Laine J., Smith P. The role of peatlands in climate regulation // Peatland restoration and ecosystem services: science, policy and practice. Eds. Bonn A., Allott T., Evans M., Joosten H., Stoneman R. Cambridge: Cambridge University Press, 2016. P. 66–79. https://doi.org/10.1017/CBO9781139177788

  25. Kasischke E.S., Johnstone J.F. Variation in post-fire organic layer thickness in a black spruce forest complex in Interior Alaska and its effects on soil temperature and moisture // Canadian Journal of Forest Research. 2005. V. 35. P. 2164–2177.

  26. Minayeva T., Sirin A.A., Stracher G.B. The peat fires of Russia // Coal and peat fires: A global perspective / Eds. Stracher G.B., Prakash A., Sokol E.V. Amsterdam: Elsevier, 2013. P. 376–394.

  27. Miyanishi K., Johnson E.A. Process and patterns of duff consumption in the mixwood boreal forest // Canadian J. Forest Research. 2002. V. 32. P. 1285–1295.

  28. Poulter B., Christensen N.L., Halpin P.N. Carbon emissions from a temperate peat fire and its relevance to interannual variability of trace atmospheric greenhouse gases // J. Geophysical Research. 2006. V. 111. D06301. https://doi.org/10.1029/2005JD006455

  29. Reddy A.D., Hawbaker T.J., Wurster F., Zhua Z., Wardd S., Newcombd D., Murray R. Quantifying soil carbon loss and uncertainty from a peatland wildfire using multi-temporal LiDAR // Remote Sensing of Environment. 2015. V. 170. P. 306–316. https://doi.org/10.1016/j.rse.2015.09.017

  30. Turetsky M.R., Benscoter B., Page S., Rein G., van der Werf G.R., Watts A. Global vulnerability of peatlands to fire and carbon loss // Nature Geoscience. 2015. V. 8(1). P. 11–14. https://doi.org/10.1038/NGEO2325

  31. Turetsky M.R., Donahue W.F., Benscoter B.W. Experimental drying intensifies burning and carbon losses in a northern peatland // Nature Communications. 2011. № 2. P. 514.

  32. Turetsky M.R., Wieder R.K. A direct approach to quantifying organic matter lost as a result of peatland wildfire // Canadian Journal of Forest Research. 2001. V. 31. P. 363–366.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Лесоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал