Integral estimation of pyrogenic loads on the contents of Cu, Pb, Zn and Cd in the components of the Great Vasyugan Mire.pdf Введение В настоящее время природные пожары приобрели катастрофические масштабы и стали реальным экологическим бедствием. Торфяные пожары вызывают долгосрочное задымление населенных пунктов и являются серьезной экологической проблемой для многих стран мира [Kunii et al., 2002; Rappold et al., 2011; Shcherbov, 2012; George et al., 2016; Gregory et al., 2018]. Торфяные пожары способны сохраняться на протяжении длительного времени (от недели до нескольких лет), несмотря на интенсивные выпадения атмосферных осадков и усилия по борьбе с ними [Page, Baird, 2016]. Зачастую очаги возгорания возникают в более отдаленных от инфраструктуры местностях, что осложняет доставку техники для их локализации. Несмотря на усовершенствование системы прогноза пожарной опасности количество пожаров не уменьшается год от года, и начиная с 1989 г. появилась выраженная тенденция к возрастанию горимости лесов и количества торфяных пожаров. Считается, что причиной значительного увеличения пожарной активности со второй половины ХХ в. послужили рост городов и повышение антропогенной нагрузки [Ganteaume et al., 2013; Lamentowicz et al., 2015]. Одновременно с этим причиной также являются наблюдаемые изменения климата, которые связаны с достоверным увеличением температуры воздуха и изменением характера циркуляции атмосферы на планете, что и приводит к увеличению частоты возникновения засушливых пожароопасных периодов [Dai, 2013; Shvidenko, Schepaschenko, 2013; Loginov et al., 2014; Huang et al., 2016]. © Харанжевская Ю.А., Синюткина А. А., Гашкова Л.П., 2019 DOI: 10.17223/25421379/13/6 Пирогенный фактор вносит существенный вклад в трансформацию органического вещества болот и динамику накопления углерода. При сжигании биомассы потери углерода из торфа в атмосферу составляют в среднем 3,2 ± 0,4 кгС/м2 [Turetsky et al., 2002]. Пожары на болотах приводят к изменению их растительного покрова [Benscoter, Vitt, 2008], химических и водно-физических свойств торфяной залежи, трансформации биогеохимических циклов элементов [Rosenburg et al., 2013; Guoping et al., 2015], способствуют выносу значительного количества загрязняющих веществ (тяжелых металлов, полиароматических углеводородов и др.) [Shcherbov, Laza-reva, 2010; George et al., 2016], причиняя вред человеческому здоровью на территориях, значительно превосходящих площади возгорания [Betha et al., 2013; Hayasaka et al., 2014]. В последнее время участились пожары в пределах заболоченных территорий Западной Сибири. Исследования показали, что при верховых пожарах активно мигрируют Hg, Cd, As, Zn, Mg, а также 137Cs, 90Sr, в меньшей степени Pu, Pb, повышается концентрация Ni, Co, Cr. В зависимости от типа пожара эмиссия элементов может достигать от 15 до 60% от исходного количества. По оценкам ежегодная эмиссия отдельных тяжелых металлов в результате пожаров в Сибири составляет от 1-2 (Hg, Cd, As, Sb) до тысяч тонн (Pb, Zn, Mn) [Щербов и др., 2015]. Таким образом, проблема природных пожаров и их экологических последствий для Западной Сибири остается весьма актуальной. Цель данной работы - оценка пирогенной нагрузки и экологических последствий пожара 2016 г. на участке северо-восточных отрогов Васюганского болота. Объектом исследования является участок осушенного болота в бассейне р. Гавриловка (северовосточные отроги Васюганского болота) в Бакчар-ском районе Томской области, выгоревший в период с августа по октябрь 2016 г. Площадь выгоревшей территории составила 5,54 км2. Территорию можно дифференцировать согласно трем классам пироген-ной нагрузки, отличающимся по характеру повреждений почвенно-растительного покрова. Для участков 1-го класса пирогенной нагрузки характерна гибель древесного яруса и выгорание надземной части травяно-кустарничкового и полное выгорание мохового яруса на всех формах микрорельефа. Для участков 2-го класса пирогенной нагрузки отмечено частичное выгорание поверхности в пределах 4060%. На участках 3-го класса пирогенной нагрузки наблюдаются частичное выгорание почвенного покрова и торфяной залежи, обгорание корней и повал деревьев (рис. 1). Рис. 1. Схема расположения территории исследования в пределах Васюганского болота А - р. Ключ; B - сосново-кустарничково-сфагновое верховое болото (фоновый участок), C - р. Гавриловка; D - осушенное сосново-кустарничково-сфагновое верховое болото в 100 м от границы пожара; Е1 - участок 1-го класса пирогенной нагрузки с выгоранием мохового и травяно-кустарничкового ярусов на всех формах микрорельефа; Е2 - участок 2-го класса с частичным выгоранием поверхности в пределах 40-60%; E3 - локальный естественный участок болота внутри контура пожара B D E1 E2 E3 Fig. 1. The location of the study area within the Great Vasyugan Mire A - Klyuch River; B - pine-shrub-sphagnum raised bog (background site); C - Gavrilovka River; D - drained pine-shrub-sphagnum raised bog within distance 100 m from the fire boundary; E1 - site 1st class of pyrogenic load with burnout of moss and grass-shrub layers on all forms of microrelief; E2 - site of class 2 with partial burnout of the surface (40-60%); E3 - local pristine area of the bog inside the fire contour Методика исследований Для оценки пирогенной нагрузки в 2016-2018 гг. был организован мониторинг атмосферных выпадений Cu и Pb, Zn, Cd в пределах пирогенного участка и за его границей, определялось содержание тяжелых металлов в болотных водах, речных водах, в торфе и растениях. Отбор проб производился в пределах четырех пунктов осушенного сосново-кустарничково-сфагнового верхового болота в бассейне р. Гаврилов-ка: ПГ1 - участок 1-го класса пирогенной нагрузки с выгоранием мохового и травяно-кустарничкового ярусов на всех формах микрорельефа, ПГ2 - участок 2-го класса с частичным выгоранием поверхности в пределах 40-60%, ПГ3 - локальный естественный участок болота внутри контура пожара, РГ - участок в 100 м за границей пожара. В качестве фоновой территории был принят аналогичный участок сосново-кустарничково-сфагнового верхового болота в бассейне р. Ключ в 8 км на северо-запад от выгоревшей территории. Для анализа миграционной активности тяжелых металлов также проводился отбор проб речных вод в реках Гавриловка и Ключ. Анализ атмосферных выпадений Cu и Pb, Zn, Cd осуществлялся методом пассивного отбора проб атмосферного осе- 1 2 дания пыли по содержанию частиц на 1 м за интервал времени 1 месяц с применением пластиковых пробоотборников, установленных на 2 м (рис. 2). Рис. 2. Мониторинг атмосферных выпадений с применением методики Геологической службы США Fig. 2. Monitoring of atmospheric deposition using the methodology of the US Geological Survey Результаты и их обсуждение Анализ данных по пробоотборнику, установленному в пределах контура пожара, показал, что в составе атмосферных выпадений достоверно повышается количество Zn в 2 раза, Pb - в 14 раз, Cu - в 4 раза, Cd -до 9 раз (рис. 3). В целом территория, связанная с загрязнением Zn и Pb в результате пожара 2016 г. охватывает зону в 8 км, что согласуется с розой ветров. Такой вывод был сделан по результатам анализа атмосферных выпадений по пробоотборнику, установленному в пределах верхового сосново-кустар-ничково-сфагнового участка Васюганского болота в 8 км на северо-запад от участка пожара. Так, в 2016 г. были отмечены сопоставимые величины модуля аэрального поступления Zn, модуль, равный 0,4 мг/м2 месяц, отмечен в 2016 и 2018 г. на участке пожара. трации элемента в верхнем слое 0-5 см в 3-6 раз относительно фона только в пределах двух участков, для которых характерно выгорание поверхности. Так, в пределах ПГ1 содержание Cu составило 13,4 мг/кг, а в пределах ПГ2 равно 23,5 мг/кг (см. рис. 4-7). Содержание Zn достоверно увеличивается в 3 раза относительно фона в слое 0-5 см в пределах ПГ1 и ПГ2, концентрация составляет 70,1 и 69,6 мг/кг соответственно. В пределах ПГ3 так же, как и на участке за пределами пожарного контура (РГ), повышение концентрации Zn отмечается не на поверхности, а в слое 20-30 см (ПГ3) и 15-20 см (РГ) а содержание изменяется в пределах 44 и 41,8 мг/кг соответственно, что связано с процессами миграции Zn с болотными водами. Содержание Cd также повышается в слое 0-5 см торфяной залежи до экстремальных величин 0,77 и 1,04 мг/кг (в 3-4 раза выше фона) в пределах ПГ1 и ПГ2 соответственно. Для участка ПГ3 повышение концентрации Cd в верхнем слое 0-5 см не обнаружено, однако концентрации элемента повышаются в слое 20-30 см до величин 0,42 мг/кг, что в 2 раза превышает фоновые концентрации, характерные для РГ (0,27 мг/кг). В верхнем слое ПГ1 и ПГ2 отмечается также существенное повышение Pb до величин 53,4 и 36,5 мг/кг соответственно, что в 4-6 раз превышает фоновое содержание в 100 м от границы по- Рис. 3. Модуль аэрального поступления Zn, Cu, Pb, Cd в зоне влияния пожара 2016 г. 1 - ПГ1, 2 - РГ, 3 - фоновый участок сосново-кустарничково-сфагнового болота в 8 км Fig. 3. The module of the aerial input of Zn, Cu, Pb and Cd in the zone of influence of the fire in 2016 1 - PG1, 2 - RG, 3 - background site of a pine-shrub-sphagnum bog, 8 km from the fire area жара РГ (8,12 мг/кг). Между тем следует отметить тивной миграции элемента с болотными водами в повышение концентрации Pb в слое 20-30 см (ПГ3) толще торфяной залежи. Повышение концентрации и в слое 15-20 см (РГ), что свидетельствует об ак- Pb в этом случае составляет до 14,8-16,5 мг/кг. Рис. 4. Изменение Zn, Pb, Cu и Cd по глубине торфяной залежи (красным отмечено содержание в подстилающих породах) Fig. 4. Distribution of Zn, Pb, Cu and Cd in the peat deposit (the content in the underlying rocks is marked in red) Рис. 5. Изменение Zn, Pb, Cu и Cd по глубине торфяной залежи в зоне максимальной пирогенной нагрузки, 1-й класс (красным отмечено содержание в подстилающих породах) Fig. 5. Distributionof Zn, Pb, Cu and Cd in the peat deposit within the zone of maximum pyrogenic load, class 1 (the content in the underlying rocks is marked in red) Рис. 6. Изменение Zn, Pb, Cu и Cd по глубине торфяной залежи в зоне пирогенной нагрузки, 2-й класс (красным отмечено содержание в подстилающих породах) Fig. 6. Distribution of Zn, Pb, Cu and Cd in the peat deposit within the zone of pyrogenic load, class 2 (the content in the underlying rocks is marked in red) Рис. 7. Изменение Zn, Pb, Cu и Cd по глубине торфяной залежи в пределах локального естественного участка болота внутри контура пожара (красным отмечено содержание в подстилающих породах) Fig. 7. Distribution of Zn, Pb, Cu and Cd in the peat deposit within the local pristine area of the bog inside the fire contour (the content in the underlying rocks is marked in red) Таким образом, в результате пожара 2016 г. в верхнем слое (0-5 см) торфяной залежи отмечается значительное повышение концентраций Cu, Zn, Cd, Pb в 3-6 раз относительно фонового участка в 100 м от границы (РГ). Зона экстремального загрязнения тяжелыми металлами ограничивается в основном зоной интенсивного выгорания поверхности, однако и за ее пределами также отмечено существенное (в 2 раза) повышение концентрации Zn, Cd, Pb, за исключением Cu, преимущественно за счет миграции элементов с болотными водами. Анализ данных по болотным водам показал достоверное повышение Cu, Zn, Cd, Pb в болотных водах и водах водоприемника - р. Гавриловка. В болотных водах ПГ1-ПГ3 отмечается повышение содержания Cu в июне, августе и сентябре в 1,3-10 раз относительно фонового участка низкого ряма в бассейне р. Ключ в 8 км (п. 3), в 100 м от контура пожара также отмечается повышение концентрации Cu в болотных водах в мае (рис. 8). Повышение Zn в болотных водах пирогенного участка в сравнении с фоновым (в 8 км) отмечается в течение практически всего сезона. Максимальные превышения фоновых концентраций отмечаются в сентябре: ПГ1 - в 4,5 раза, ПГ2 - в 1,55 раза, ПГ3 - в 1,3 раза. Обращают на себя внимание более высокие концентрации в болотных водах ПГ2 и ПГ3 в течение сезона (за исключением сентября), что связано, вероятно, с более интенсивным выносом элементов с болотными водами на ПГ1 при более существенном выгорании верхнего слоя торфяной залежи. В июле и августе отмечается снижение концентраций Zn в согласии со снижением уровней болотных вод. Содержание Cd в болотных водах пирогенного участка (преимущественно ПГ2 и ПГ3), а также в 100 м за пределами пожара достоверно превышает фоновые концентрации в 7 раз (за исключением августа). В сезонной динамике следует отметить постепенное увеличение концентрации Cd в болотных водах к августу-сентябрю. Повышение Pb в болотных водах пи-рогенного участка в сравнении с фоновым (в 8 км) отмечается в течение практически всего сезона (в 1,7-3 раза). Экстремальное повышение концентраций Pb в болотных водах (в 25 раз относительно фона) наблюдается в конце сезона на участке 1-го класса пирогенной нагрузки с полным выгоранием поверхности (ПГ1). Сопоставление данных по речным и болотным водам показало активную миграцию элементов, максимум концентрации Zn, Cd, Zn, Pb в канале отмечается в мае-июне, а в р. Гаврилов-ка - в июле, кроме Cd, который активно мигрирует в июне. Сопоставление концентраций элементов в водах рек Гавриловка и Ключ показало повышение в 1,5-2 раза концентраций Cu и Zn в июле, сентябре в пределах пирогенного участка и в 2-4 раза Cd и Pb с июня по сентябрь (рис. 9). Рис. 8. Динамика содержания Cu, Zn, Cd, Pb в болотных водах в пределах пирогенного участка Васюганского болота в 2018 г. Fig. 8. Water content of Cu, Zn, Cd and Pb within the pyrogenic area of the Great Vasyugan Mire in 2018 Рис. 9. Динамика содержания Cu, Zn, Cd, Pb в речных водах в 2018 г. Fig. 9. River water content of Cu, Zn, Cd and Pb in 2018 Рис. 10. Содержание тяжелых металлов в Chamaedaphnecalyculata 1 - фоновые значения, 2 - РГ, 3 - ПГ3, 4 - ПГ2, 5 - ПГ1 Fig. 10. The content of heavy metals in Chamaedaphne calyculata 1 - background values, 2 - RG, 3 - PG3, 4 - PG2, 5 - PG1 Рис. 11. Содержание тяжелых металлов в Pinus sylvestris 1 - фоновые значения, 2 - РГ, 3 - ПГ3, 4 - ПГ2, 5 - ПГ1 Fig. ll.The content of heavy metals in Pinus sylvestris 1 - background values, 2 - RG, 3 - PG3, 4 - PG2, 5 - PG1 Рис. 12. Содержание тяжелых металлов в Sphagnum fuscum 1 - фоновые значения, 2 - РГ, 3 - ПГ3, 4 - ПГ2, 5 - ПГ1 Fig. 12. The content of heavy metals in Sphagnum fuscum 1 - background values, 2 -RG, 3 - PG3, 4 - PG2, 5 - PG1 Содержание Cu наиболее сильно возросло (в 7 раз), по сравнению с фоном, на участках РГ и ПГ3, расположенных рядом с постпирогенными участками. На ПГ1 и ПГ2, наиболее сильно пострадавших от пожара, концентрация Cu в Chamaedaphne calyculata увеличилась в 5 раз. Содержание Cd увеличивается в 2-10 раз, по сравнению с фоном на постпирогенных и соседних с ними участках. Содержание всех рассмотренных элементов в Pinus sylvestris значимо увеличивается, по сравнению с фоном, на постпирогенных участках ПГ1 и ПГ2. Концентрация Zn наиболее возрастает (в 2,6 раза по сравнению с фоном) на ПГ2. Концентрация Cu в Pinus sylvestris возрастает в 2 раза на соседних с гарью РГ и ПГ3, и в 3 раза на постпирогенных ПГ1 и ПГ2 (см. рис. 10-12). Содержание Cd увеличивается в Pinus sylvestris в 1,5-2 раза на РГ и ПГ3 и в 6-8 раз - на ПГ1 и ПГ2. Содержание элементов в Sphagnum fuscum наиболее закономерно по отношению к другим видам, увеличивается по мере увеличения влияния пожара. Максимальные значения зафиксированы на наиболее выгоревшем участке ПГ1. Исключение составляет содержание Zn. Очевидно, что его фоновая концентрация в Sphagnum fuscum выше, чем содержание на пострадавшем от пожара болоте. Содержание Zn, Cu, Pb и Cd в растениях рассматривалось на четырех участках болота, в разной степени пострадавших от пожара. В качестве модельных были выбраны виды - доминанты каждого яруса: Pinus sylvestris, Chamaedaphne calyculata и Sphagnum fuscum. В качестве фоновых значений использованы средние для данных видов с болот юго-восточной части Западной Сибири [Гашкова, 2016]. В результате сравнения полученных нами данных выяснилось, что содержание Zn и Pb в Chamaedaphne calyculata на постпирогенных участках не только не увеличивается, но даже немного снижается по сравнению с фоновыми значениями и участком РГ. Заключение Таким образом, через год после пожара в верхнем слое (0-5 см) торфяной залежи отмечается значительное повышение концентраций Cu, Zn, Cd, Pb в 3-6 раз относительно фонового участка в 100 м от границы (РГ). Зона экстремального загрязнения тяжелыми металлами ограничивается в основном зоной интенсивного выгорания поверхности, однако, и за ее пределами также отмечено существенное (в 2 раза) повышение концентрации Zn, Cd, Pb, за исключением Cu, преимущественно за счет миграции элементов с болотными водами. Содержание тяжелых металлов в растениях, как правило, достоверно возрастает на участках, соседних с пожаром, но, еще в большей мере увеличивается на постпирогенных участках. Из рассмотренных видов растений наиболее показательно увеличивается содержание тяжелых металлов с возрастанием влияния пирогенного фактора у Sphagnum fuscum и Pinus sylvestris. Данные виды могут служить индикатором степени нарушения болота. Анализ данных за 2018 г. показал, что через 2 года после пожара сохраняются высокие концентрации Cu, Zn, Cd, Pb в болотных водах и водах водоприемника -р. Гавриловка. В болотных водах отмечается превышение фонового содержания Zn, Cd, Pb в течение всего года, а Cu - в июне, августе и сентябре. Зачастую обращают на себя внимание более высокие в течение вегетационного периода концентрации Cu, Zn, Cd, Pb в болотных водах участка 2-го класса пирогенной нагрузки, для которого характерно частичное выгорание поверхности в пределах 40-60% (ПГ2) и экстремальное повышение содержания (до 25 раз относительно фона) в конце сезона на участке 1-го класса пирогенной нагрузки с полным выгоранием поверхности (ПГ1). Сопоставление концентраций элементов в водах р. Гавриловка с водоприемником фоновой территории - р. Ключ, показало повышение в 1,5-2 раза концентраций Cu и Zn в июле, сентябре в условиях пирогенного фактора, и в 2-4 раза Cd и Pb с июня по сентябрь. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ по научному проекту № 18-44-700005 (определение содержания тяжелых металлов в компонентах болот пирогенного участка), а также в

Скачать электронную версию публикации