Лесные пожары – это один из наиболее значимых видов нарушений в глобальном масштабе, влияющий на биоразнообразие, биогеохимические циклы и играющий важную роль в химических процессах в атмосфере и глобальном цикле углерода. Эмиссии углерода от лесных пожаров повышают концентрацию парниковых газов в атмосфере и тем самым могут способствовать глобальным изменениям климата. Именно лесные пожары в настоящее время признаются одним из самых значительных факторов, определяющих активную миграцию химических элементов на земной поверхности, ежегодная пылевая и аэрозольная эмиссия которых количественно сопоставима с выбросами вулканов. При этом основное число научных исследований посвящено эмиссии парниковых газов. Однако среди пирогенных выбросов высокая роль принадлежит различным органическим и неорганическим соединениям, химическим элементам, включая тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и радионуклиды, находившимся в почве, подстилке, коре и древесине деревьев. Осаждение их на новых местах, несомненно, должно изменять геохимический фон почвенно-растительного покрова - вместе с аэрозольными частицами эти вещества могут переноситься на тысячи километров. Поэтому исследования миграции тяжелых металлов, ПАУ и радионуклидов при лесных пожарах посвящены в основном составу дымовых аэрозолей. Однако с помощью «наземных» методов можно получить ценные сведения о поведении этих элементов не только «снаружи», но и «внутри» экосистемы.
В связи с этим предлагается комплексная оценка эколого-биогеохимического состояния постпирогенных почв и растительного покрова и исследование закономерностей миграции химических веществ в пирогенных ландшафтах в процессе пиропедогенеза для оценки последствий глобальных климатических изменений для наземных и смежных водных экосистем. Почвенный и растительный покров послепожарных территорий заслуживают пристального внимания как объект экологического мониторинга. Поскольку почвенный покров способен принимать поступающие из автономных ландшафтов природные и техногенные потоки химических веществ, а растения поглощать и нейтрализовать значительное их количество, то они являются информативным индикатором состояния окружающей среды. Постпирогенные экосистемы требуют комплексного изучения, в частности понимания роли почвенного покрова в функционировании и восстановлении наземных экосистем, в связи с катастрофическими последствиями лесных пожаров в масштабах страны. Эта проблема не является частной и региональной, но важна для развития экологического менеджмента лесных экосистем Российской Федерации.
Целью работы является комплексная оценка эколого-биогеохимического состояния постпирогенных почв и растительного покрова и исследование закономерностей миграции химических веществ в пирогенных ландшафтах в процессе пиропедогенеза для организации методик наблюдения за постпирогенными сменами, обоснования параметров мониторинга и создания базы данных об экологических последствиях катастрофических пожаров. В ходе работы будет получена целостная картина о педоразнообразии постпирогенных почв в разных субстратно-фитоценотических условиях Северо-Запада России. В рамках данного исследования будет проведено:
-Макро-, мезо- и микроморфологическое изучение почв для выявления фациальной и региональной специфики почвообразования на Северо-Западе России, а также характеристики особенностей пиропедогенеза. Исследование свойств почвообразующих/ материнских пород как основы почвообразования путем изучения генезиса и свойств четвертичных отложений ключевых участков на послепожарных территориях различных субъектов Северо-Запада России.
-Изучение пространственной организации почвенных индивидуумов методами полевой электрофизики почв (полуколичественная характеристика пространственной неоднородности пирогенных почвенных комплексов).
-Исследование почвенного разнообразия ландшафтов при помощи совокупности дистанционных методов, включая методы дешифрирования почв.
-Проведение прямого морфометрического дешифрирования почв ключевых участков при помощи программного обеспечения.
-Региональная биогеохимическая оценка содержания тяжелых металлов и ПАУ в постпирогенных почвах и изучение закономерностей их миграции по почвенному профилю и в пирогенных ландшафтах.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
• исследовать морфологическое разнообразие постпирогенных почв в разных субстратно-фитоценотических условиях Северо-Запада России после прохождения лесных пожаров различной интенсивности, различного вида (низовые, верховые) и различной давности для выявления набора признаков пиропедогенеза. Для этого необходимо провести полевое исследование почвенного покрова, почвенных индивидуумов, почвенного разнообразия и параметров экологических функций постпирогенных почв Северо-Запада России;
• исследовать электрофизические параметры почв и почвенного покрова: горизонтальное и вертикальное электрическое профилирование почвенной толщи пирогенных ландшафтов;
• провести картографирование элементарных почвенных ареалов и элементов ландшафтов с целью выявления ключевых и уязвимых объектов педосферы исследуемых послепожарных участков (в выборочном режиме, на основе данных рекогносцировочных исследований), расчет базовых коэффициентов почвенного разнообразия;
• осуществить спектрозональную аэрофотосъемку послепожарных территорий средствами БПЛА с привязкой к ключевым участкам наблюдения;
• провести морфометрическое и морфографическое прямое дешифрирование снимков БПЛА с выделением ареалов почв и растительности, их оконтуриванием, подсчетом площадей, автоматизированным анализом сложности контурных границ и полуколичественной интерпретацией степени неоднородности почвенного и растительного покрова;
• определить уровень содержания и распределения тяжелых металлов и ПАУ в посптпирогенных почвах и произрастающей растительности лесных экосистем Северо-Запада России;
• проанализировать формы нахождения тяжелых металлов и состав ПАУ в исследованных почвах и выявить факторы, определяющие поведение этих веществ в ландшафтах;
• сформировать холистическую картину о региональном биогеохимическом состоянии лесных экосистем пирогенных ландшафтов и постпирогенных почв.
Биогеохимическая ситуация на планете за последние десятилетия значительно изменилась. В результате промышленных выбросов, техногенных катастроф и ядерных испытаний распределение тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и радионуклидов в природе стало совершенно иным. Значительная часть элементов-загрязнителей аккумулируется в настоящее время в компонентах лесной экосистемы: почве, подстилке, коре и древесине деревьев. И любой сильный пожар может сыграть роль спускового механизма, переводящего потенциально опасные химические элементы в активную летучую форму. Попав в атмосферу в виде дымовых аэрозолей, эти вещества могут мигрировать на очень большие расстояния, что может представлять геохимическую угрозу.
Лесные пожары остаются одним из мощных природных факторов, определяющих происходящие на планете крупномасштабные изменения окружающей среды, что позволяет относить их к глобальным явлениям.
Под воздействием пожаров площадь земель, занятых ненарушенными экосистемами, в последние годы заметно сокращается. Согласно официальным данным, которые распространяет Рослесхоз, в среднем площадь лесных пожаров в России ежегодно составляет 2,5-3 миллиона гектаров.
Пожары вносят коренные изменения в лесные экосистемы. Степень ослабления деревьев зависит от типа и интенсивности пожара. При верховых пожарах обжигаются кроны и стволы, что в большинстве случаев ведет к гибели деревьев. Аналогичная ситуация наблюдается при воздействии подземных и почвенных пожаров вследствие необратимого повреждения корней. При низовых пожарах ослабляется жизнедеятельность древесных растений, однако в послепожарный период происходит постепенное восстановление функций растения. Кроме того, при пожарах, помимо высоких температур, на деревья действуют также аэрозоли, выделяющиеся при горении. В их составе присутствуют кремний, алюминий, кальций, магний, свинец и др., это свидетельствует о том, что лесные пожары являются мощным источником загрязнения окружающей среды. Лесные пожары влияют на биоразнообразие в целом, биогеохимические циклы и играют важную роль в химических процессах в атмосфере и глобальном цикле углерода. Эмиссии углерода от лесных пожаров повышают концентрацию парниковых газов в атмосфере и тем самым могут способствовать глобальным изменениям климата.
Лесные пожары являются геохимической силой, сравнимой по мощности с деятельностью вулканов. Когда горит лес, сокращаются не только запасы древесины – трансформируется весь ландшафт. Повышается кислотность почв, усиливается водная и ветровая эрозия, меняется водный режим рек и микроклимат. Все химические вещества или отдельные элементы, находясь в том или ином состоянии в лесном биогеоценозе и попадая в область высоких температур при лесном пожаре, не могут не реагировать на изменение физического состояния почвенно-растительного покрова. Нет оснований полагать, что в этой системе тяжелые металлы и ПАУ представляют собой исключение.
Формам нахождения тяжелых металлов в почвах, их взаимодействию и антагонистическим реакциям в организмах растений посвящено огромное количество публикаций (Ильин, 1973; Ягодин и др., 1974; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Mishra, Каг, 1974; Foy е. а., 1978; Kloke, 1979). Показано, что по мере повышения техногенной нагрузки на ландшафты в почвах увеличивается количество растворимых форм тяжелых металлов (Васильева, Кадацкий, 1998). В отношении трансформации форм нахождения тяжелых металлов в почвах на лесных пирогенных площадях подобных сведений не обнаружено. Между тем, постоянно обнаруживаемое присутствие во всех компонентах лесного биогеоценоза тяжелых металлов и участие их в различных биогеохимических процессах не может не сказаться на трансформации форм их нахождения под воздействием высоких температур лесного пожара. В особой степени это относится к лесным подстилкам, где протекают различные биогеохимические процессы и которые служат наиболее емким геохимическим барьером на пути атмосферного поступления и миграции химических элементов в различных ярусах леса.
Полициклические ароматические углеводороды продуцируются в результате разнообразных природных и техногенных процессов и встречаются в различных компонентах ландшафта. ПАУ относят к приоритетным загрязнителям, так как многие из них обладают канцерогенной активностью и представляют опасность для здоровья человека. В связи с этим научный интерес к ПАУ не ослабевает в течение последних десятилетий. Наиболее распространенным способом образования ПАУ считается температурное воздействие на органическое вещество. К настоящему времени пирогенные антропогенные источники ПАУ (выбросы автотранспорта, промышленных предприятий, объектов энергетики и другие) изучены достаточно подробно. Вместе с тем, в развитых странах отмечается тренд по снижению загрязненности полиаренами различных компонентов ландшафта в связи с совершенствованием технологий и повышений экологических стандартов (Guo et al., 2011). Поэтому все большее внимание начинает уделяться природным пирогенным источникам ПАУ таким, как вулканизм и природные пожары. При этом вулканические источники полиаренов очень локальны, а лесными, степными и торфяными пожарами ежегодно повреждаются значительные площади, что рассматривается как один из глобальных факторов поступления ПАУ в окружающую среду. Кроме того, в мировой литературе содержатся многочисленные данные лабораторных экспериментов о возможности образования ПАУ из компонентов растительности, причем условия горения (температура, доступ кислорода) и тип растительности существенно влияют на количество и состав образующихся соединений (Цибарт, Геннадиев, 2011). Вместе с тем характер аккумуляции пирогенных ПАУ в ландшафтах, в особенности, в почвах, как депонирующей среде, практически не изучен. До сих пор в литературе недостаточно данных о составе, количестве и распределении в почвах полиаренов, поступающих при природных пожарах. Поэтому весьма актуальным представляется исследование лесных пожаров как источников этих соединений в ландшафтах.
В России лесные и торфяные пожары представляют значительную опасность, в связи с тем, что при наступлении жаркой и сухой погоды они могут привести к опасному для жизни и здоровья людей задымлению густонаселенных районов вплоть до крупных городов при соответствующей розе ветров (например, как это было летом 2010, 2012, 2019 и 2021 гг.). Таким образом, катастрофические последствия участившегося в последнее время пирогенного воздействия на природные экосистемы в условиях проблемного экологического менеджмента – глобальная фундаментальная научная проблема для Евразии в связи с неоцененной устойчивостью обширных пулов органического вещества и уровнями содержания загрязняющих веществ, непредсказуемыми последствиями в наземных и смежных водных экосистемах и неразработанностью основ системы мониторинга послепожарных местообитаний.
В связи с этим предлагается исследование закономерностей изменения содержания тяжелых металлов и ПАУ и их миграции по почвенному профилю в процессе пиропедогенеза. Постпирогенные экосистемы требуют комплексного изучения, в частности понимания роли почвенного покрова в функционировании и восстановлении наземных экосистем, в связи с катастрофическими последствиями лесных пожаров в масштабах страны. Эта проблема не является частной и региональной, но важна для развития экологического менеджмента лесных экосистем Российской Федерации.
Для оценки содержания тяжелых металлов и ПАУ и изучения закономерностей их миграции в почвах пирогенных ландшафтов будут исследованы послепожарные участки следующих субъектов Северо-Запада России (где чаще всего возникают лесные пожары по данным официальной статистики): Ленинградская область, республика Карелия, Псковская область и республика Коми. Будет изучено воздействие лесных пожаров различной интенсивности, различного вида (низовые, верховые) на содержание тяжелых металлов и ПАУ в почвах в сравнении с контрольными негорелыми участками. Кроме того, будут изучены участки после прохождения пожаров различной давности для понимания скорости процессов восстановления почвенных свойств и динамики содержания веществ в почвах наземных экосистем. Для количественной оценки масштаба миграции пробы будут отбираться как с наветренного (фонового) участка леса, так и выгоревшего. Разница концентраций позволит судить о том, какие химические элементы и в каком количестве были вынесены из экосистемы в результате лесных пожаров. Важным аспектом работы является также уточнение морфологических признаков для введения генетического признака «пирогенный» pir и выделения пирогенного подтипа для неторфяных почв в «Классификации и диагностики почв России».
Конкретный план работ по осуществлению поставленных задач заключается в следующем:
1. Литературный обзор на основе статистических данных о современной ситуации в отношении лесных пожаров в мире и Российской Федерации.
2. Изучение морфологического разнообразия постпирогенных почв лесных экосистем Северо-Запада России. Отбор критериев диагностики пирогенного горизонта и количественная оценка содержания золы и пепла в верхних горизонтах во временном тренде. Комплексное исследование будет включать инвентаризацию постпирогенных почв, анализ разнообразия почвообразующих пород, изучение роли рельефа в пространственном распределении почв, исследование картины распределения почв при помощи низковысотных дистанционных методом. Для ненарушающей почвенный профиль диагностики мощности золы, а также для оценки степени вертикальной неоднородности почвенных толщ будут применяться новейшие электрофизические методы исследования.
3. Проведение анализа компонентного состава почвенного и растительного покрова послепожарных территорий. Анализ связи компонентного состава почвенного покрова с морфологическими образами, полученными при дешифрировании растительного покрова на основе данных БПЛА. Анализ катенарной пространственной изменчивости почв в условиях различной степени расчленения рельефа и анализ степени повреждения растительного покрова лесными пожарами разной интенсивности и вида.
4. Исследование строения чехла четвертичных и иных почвообразующих пород в связи с параметрами пространственной организации почвенного покрова.
5. Определение уровня содержания и распределения тяжелых металлов в постпирогенных почвах, а также произрастающих растениях и оценка его с экологических и гигиенических позиций.
6. Проведение анализа валового содержания тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd, Cо, Сr, Ni, V, Ве, Sr, Mn) и подвижных (кислоторастворимой, обменной и водорастворимой) форм их соединений в постпирогенных почвах Северо-Запада России и выявление факторов, определяющих поведение тяжелых металлов в них - способствующих закреплению и перераспределению тяжелых металлов в почвенно-растительном покрове, идентификация закономерностей миграции, трансформации, транслокации и накопления в почве этих веществ.
7. Расчет интенсивности биологического поглощения тяжелых металлов в органах и тканях различных видов растений, произрастающих на послепожарных участках Северо-Запада России.
8. Установление геохимической структуры и формулы геохимической специализации почвенного и растительного покрова постпирогенных лесных экосистем Северо-Запада России.
9. Выявление трендов трансформации ПАУ в постпирогенных почвах, установление направленности изменений количества и состава ПАУ в процессах, связанных с эрозией почв после пожаров, оценка характера поведения ПАУ в течение первых лет в почвах, пострадавших от лесных пожаров.
10. На основе всех полученных данных проведение анализа и сравнения действия лесных пожаров на содержание и поведение в почвенном профиле и ландшафте тяжелых металлов и ПАУ в пределах бореального пояса Северо-Запада России, выделение общих трендов.
11. Разработка базы данных и концептуальной системы анализа загрязняющих веществ в целом для постпирогенных почв с использованием арсенала статистических методов.
12. Представление целостной характеристики почвенного покрова послепожарных территорий Северо-Запада России. На основании полученных данных о содержании и распределении тяжелых металлов и ПАУ в постпирогенных почвах составление региональной биогеохимической оценки состояния лесных экосистем пирогенных ландшафтов.
Новизна научного исследования
В настоящее время накоплен обширный материал о содержании и распределении химических элементов в почвах, растениях и других объектах окружающей среды. Установлены фоновые уровни содержания тяжелых металлов в растениях некоторых конкретных регионов (Второва, Маркерт, 1995; Золотарева, 1994; Касимов, 1980, 2013, 2017 и др.). Исследованы особенности аккумуляции тяжелых металлов и ПАУ антропогенными почвами (Геннадиев, 2013; Матвеев, 2004 и др.). Тем не менее, к числу малоизученных относится вопрос о накоплении тяжелых металлов и ПАУ почвенным покровом и растениями послепожарных территорий.
Послепожарные процессы в наземных экосистемах исследуются очень активно в последние десятилетия. Традиционно, наиболее сильные исследования характерны для ученых из Северной Америки и Средиземноморья. При этом пожары на американском континенте традиционно описываются авторами, как нормальное природное явление, но в европейской науке все больше внимания уделяется тому, что пожары могут быть не только внезапными, но и катастрофическими. В изучении влияния пожаров на наземные экосистемы можно выделить следующие основные группы направлений: послепожарный менеджмент территорий, механическое и другие типы воздействий (Pereira el al, 2015), эрозия, перераспределение веществ, оценка этих явлений (Wuthrich, 2002, Oliva et al, 2014), изменение биоразнообразия (Cayton, 2006; Сорокин, 1983, Сапожников и др, 2001, Васенев, 2006, Краснощеков, 2009, Максимова и др, 2012, Pereira, 2010, 2012, 2014, Cerda et al, 2003, 2011, 2015) и другие. Однако исследований по содержанию тяжелых металлов и ПАУ в постпирогенных почвах и характеристика закономерностей их миграции в пирогенных ландшафтах крайне недостаточно для формирования единой концепции функционирования постпирогенных биотопов. Продукты горения после пожаров могут иметь сложный характер перераспределения в почвенном профиле и по рельефу. Все это требует изучения. В связи с этим комплексная региональная биогеохимическая оценка уровней содержания тяжелых металлов и ПАУ в постпирогенных почвах лесных экосистем является актуальным и востребованным для совершенствования систем экологического менеджмента, развития лесного хозяйства РФ, оценки последствий глобальных климатических изменений для наземных и смежных водных экосистем. В настоящее время имеется ряд неразрешенных проблем в изучении пирогенного влияния на лесные экосистемы многих регионов России, среди которых следует отметить несовершенство почвенно-генетической интерпретации условий пирогенного почвообразования, пробелы в классификационной идентификации почв, недостаточную изученность постпирогенных почв в связи с огромными площадями лесных насаждений, затронутых действием огня, слабую степень выявленности уровней фактического загрязнения почв, недостаточное применение инструментальных методов исследования почв: электрофизических и дистанционных.
Изучение постпирогенных почв и динамики химических веществ в почвах после пожаров является самостоятельной научной проблемой, ведь лесные пожары в последнее время охватывают огромные площади (эта проблема может быть восполнена применением снимков БПЛА), и поэтому это крайне важно в плане экологического менеджмента постпирогенных территорий. Автоматизированное дешифрирование снимков БПЛА позволит впервые провести прямое морфометрическое и морфографическое дешифрирование послепожарных территорий и поверхности постпирогенных почв, провести подсчет коэффициентов почвенного разнообразия, рассчитать коэффициенты сложности почвенного покрова, провести генерализацию почвенных карт отдельных территорий до среднего масштаба. Кроме того, недостаточно изучены также вертикальная и горизонтальная неоднородность почв, преобразованных в результате пиропедогенеза. В связи с этим применение современных электрофизических методов исследования является абсолютно новым и актуальным для территорий исследования.
Методы решения задач научного исследования
Для достижения цели и выполнения задач исследования будут использованы традиционные полевые, дистанционные, лабораторные и инструментальные методы исследования, в том числе:
-полевые исследования почв и компонентов почвенного покрова с целью выявления морфологического разнообразия постпирогенных почв лесных экосистем Северо-Запада России, характеристики связи разнообразия почв с неоднородностью геогенных факторов и типами геогенных экотонов, количественной оценки содержания золы и пепла в верхних горизонтах;
-макро-, мезо- и микроморфологические исследования почв и почвообразующих пород при помощи цифрового оборудования, в том числе автоматизированного, позволяющего осуществлять морфометрию почвенных частиц и микроморфологических образований. В ходе этих исследований будет уточняться диагностика и параметры идентификации горизонтов с идентификационным признаком Pir (пирогенный). На мониторинговых площадках будут установлены автоматические датчики температуры и влажности "термохрон". Данные о годовом ходе температуры и влажности почв необходимы для изучения скорости процессов восстановления биологической компоненты наземных экосистем после лесных пожаров;
-исследование почвенного разнообразия в связи с пространственной неоднородностью почвообразующих пород и рельефа методами полевой электрофизики (Поздняков, 2004) при помощи горизонтального и вертикального электрического профилирования, установление корреляции между границами горизонтов, мощностью золы и электрофизическими характеристиками, ненарушающее (без механического воздействия) определение глубины распространения признаков пиропедогенеза;
-использование снимков беспилотных летательных аппаратов, полученных лично в поле с учетом коррекции маршрутов полетов для подробной характеристики площадного распределения послепожарных территорий, пространственной неоднородности почв, количественное морфографическое дешифрирование дистанционных снимков при помощи адаптированного под почвоведческие задачи программного оборудования, позволяющего рассчитывать площади ареалов почв, исследовать степень изрезанности границ ареалов и создавать крупномасштабные карты почвенного и растительного покрова;
-для определения содержания химических веществ в пробах почв будут применяться инструментальные методы, например, спектрофлуориметрический анализ при низких температурах – для ПАУ и рентгенофлюоресцентный метод определения – для тяжелых металлов.
Инструментальные методы исследования в основном будут применяться на базе научного парка СПбГУ. Результаты исследования будут обработаны статистически при помощи post-hoc теста для выявления различий в парных сравнениях, а также при помощи одно- и двухфакторного дисперсионного анализа (выявление связей), а также при помощи метода главных компонент.