Influence of fire on the distribution of elements in the peat deposit of the bog.pdf Введение Начиная со второй половины XX в. на болотах Западной Сибири зафиксировано значительное увеличение пожарной активности, связанной, вероятно, с деятельностью человека [Lamentowicz et al., 2015]. В результате пожаров высвобождается множество элементов, накопившихся в растениях и торфе. Основными загрязнителями, образующимися после пожаров, становятся древесный уголь, зола, смолы и летучие твердые органические частицы с неорганическими включениями, входящие в состав дыма [Posfai et al., 2003; Hand et al., 2005]. Древесная зола и пепел при попадании в почву увеличивают содержание микроэлементов в ней, вызывая накопление некоторых элементов в корневой системе растений [Cruz-Paredes et al., 2017]. Во время пожара элементы распределяются по-разному: одни из них вовлекаются в атмосферный перенос (Hg, Cd, Mn, Zn и Cs), остальные (в том числе Fe, Al, K, Na, Co, Ni, Pb, Cu, Ba, Sr, Mg, V) накапливаются на месте горения [Журкова, Щербов, 2016]. По другим данным, в аэрозолях после торфяного и лесного пожара, по сравнению с городскими аэрозолями, повышено содержание Mn, Fe и иных элементов. При сжигании биомассы в составе летучей золы преобладают водорастворимые ионы сульфаты кальция и карбонаты [Popovicheva et al., 2014]. На распределение элементов в торфяных отложениях влияет ряд факторов: эндогенное поступление элементов, активность окислительно-восстанови-тельных процессов, процессы растворения и мобилизации элементов корнями растений, скорость разложения торфа и уровень воды в торфяниках [Veretennikova et al., 2021]. Распределение по глубине торфяной залежи высвободившихся в процессе сгорания биомассы элементов в условиях осушенного болота осложняется. После осушения увеличивается колебание уровня болотных вод в течение года, сглаживаются границы акротельма и катотельма, благодаря чему изменяется адсорбция элементов в торф из воды [Савичев и др., 2021]. Цель нашей работы состояла в том, чтобы выявить разницу распределения элементов по глубине торфяной залежи на постпирогенных болотах с выгоревшей растительностью и соседних с ними болотах. Объекты и методы Объектом исследования является осушенное болото, расположенное в пределах Бакчарского болотного массива, в бассейне р. Гавриловка, на котором произошел пожар в августе 2016 г. (56°51' с.ш., 82°41' в.д.). До пожара растительность на всех участках болота представляла собой сосново-кустарничковосфагновый фитоценоз. Три участка, в разной степени пострадавшие от пожара, расположены на одной линии, перпендикулярной осушительному каналу. Наиболее пострадал от пожара участок, расположенный в непосредственной близости к каналу (ПГ1), на нем выгорела вся надземная часть растений. Средний уровень болотных вод (УБВ) на ПГ1 в год отбора проб находился на уровне -51 см. Залежь представлена фускум-торфом, но в слое торфа от 70 до 75 см добавляются мочажинные виды сфагнумов, образуя комплексный верховой торф. Следующий участок, расположенный примерно в 50 м от канала (ПГ2), менее пострадал от пожара. Выгорели полностью только понижения. На кочках сохранился моховой покров из Sphagnum fuscum, но надземная часть травяно-кустарничкового и древесного яруса полностью выгорела. УБВ находился на уровне -32 см. Торфяная залежь до 1 м сложена фу-скум-торфом. Растительность участка, расположенного в 100 м от канала (ПГ3), не пострадала. УБВ на нём находился на -34 см. Залежь представлена в основном фускум-торфом, но от 20 до 65 см добавляются мочажинные виды сфагнумов, образуя комплексный верховой торф. Участок РГ, не пострадавший во время пожара, отделен от ПГ1 двумя осушительными каналами, дорогой и 100 м болота. УБВ на РГ находился на -31 см. Ботанический состав торфяной залежи участка РГ однороден, сложен фускум-торфом. Пробы торфа отбирались из торфяной скважины пробоотборочным торфяным буром в августе 2020 г. на всех исследуемых участках. Шаг отбора менялся от 5 см вверху скважины до 25 см в нижней части, до глубины 1 м. Образцы торфа анализировались на ботанический состав, степень разложения и содержание Pb, Cd, Cu, Fe, Mn, Ca, K, P, Mg, Na. Концентрация элементов в торфе определялась при помощи метода ICP-MS с предварительной подготовкой проб методом кислотного разложения. Статистический анализ и графическое отражение результатов проводилось при помощи Statsoft Statistica for Windows 6.0. и Excel 7.0. Для оценки зависимости между переменными применялся коэффициент ранговой корреляции Спирмена. Сравнение и значимость отличий между выборками устанавливались при помощи непараметрического критерия Манна-Уитни и Краскела-Уоллиса. Результаты Исследование ботанического состава торфа показало довольно однородную структуру торфяной залежи, сложенной фускум-торфом и комплексным верховым торфом. Степень разложения торфа на ПГ1 колеблется от 7 до 20 %, на ПГ2 от 7 до 15 %, на ПГ3 от 3 до 25 %, на РГ от 3 до 20 %. На постпирогенных участках наблюдается изменение структуры в верхнем слое торфяной залежи, связанное с выгоранием растительности. При сравнении содержания элементов между участками обнаружено, что средние значения концентрации всех элементов, кроме Fe и Cu, самые высокие на ПГ1, наиболее пострадавшем от пожара. Средние концентрации Fe и Cu в 2-3 раза больше на ПГ3 и РГ, расположенных рядом с выгоревшими участками (рис. 1). Рис. 1. Нормированная диаграмма с областями и накоплением, отражающая относительный вклад элемента на каждом участке Fig. 1. Normalized plot with areas and accumulation, reflecting the relative contribution of the element at each site При рассмотрении динамики содержания элементов по глубине торфяной залежи на участке ПГ1 обнаружена высокая корреляция изменения содержания элементов. В верхнем (0-10 см) слое обнаружено синхронное увеличение степени разложения и концентрации всех элементов. Концентрация в верхнем слое торфа, по сравнению с более нижними слоями, выше от 2 (Mg) до 11 раз (Na) для всех рассмотренных элементов. Минимальная концентрация всех элементов зафиксирована на глубине 30-40 см, в более нижних слоях торфяной залежи их содержание незначительно увеличивается от 1,2 (P), до 3 раз (Na) (рис. 2). На данном участке степень разложения по глубине торфяной залежи коррелирует только с концентрацией Ca в торфе (0,7 при p < 0,05). Однако увеличение степени разложения в верхнем слое залежи соответствует увеличению концентрации всех рассмотренных элементов. Кроме того, повышение содержания элементов (кроме P, Cd и Zn) наблюдается ниже 50 см и соответствует увеличению степени разложения до 20 % (рис. 2). На участке ПГ2 распределение элементов аналогично ПГ1, но снижение их концентрации по глубине более плавное. Исключение составляют концентрации Ca и Mg, у которых небольшое повышение наблюдается на 15-20 см, а затем, до глубины 1 м, значительно не изменяется. Содержание элементов в верхнем слое, по сравнению со следующим, увеличено от 1,7 (Mg) до 8 (Mn) раз. Со степенью разложения коррелируют только концентрация Ca (rs = 0,9) и Mn (rs = 0,8) при p < 0,05, но высокие значения степени разложения в верхнем слое соответствуют повышенной концентрации всех элементов. На участке ПГ3 в верхнем слое торфа, до глубины 15-20 см, зафиксировано небольшое повышение концентрации элементов. Исключение составляет Ca, максимальное содержание которого наблюдается на глубине 40 см и сохраняется в более нижних слоях торфа. Кроме того, ниже, на глубине 50 см, концентрации элементов Mn, Fe и Cu достигают максимальных значений, происходит увеличение содержания Fe и Cu в 4 раза, а концентрации Mn в 3 раза (рис. 2). На данном участке концентрация гораздо большего числа элементов коррелирует со степенью разложения по глубине торфяной залежи. Положительная корреляция концентрации в торфяной залежи наблюдается с содержанием Ca (rs = 0,8), отрицательная - с содержанием Na (rs = -0,9), P (rs = -0,9), K (rs = -0,7), Zn (rs = -0,7), Pb (rs = -0,7) при p < 0,05. Наиболее высокая степень разложения торфа на данном участке (рис. 3) совпадает с увеличением концентрации Mn, Fe и Cu на глубине 50 см. Также на глубине торфа 50 см отмечено небольшое (в 1,2 раза) увеличение концентрации Cd. Особенностью участка РГ является наиболее неоднородное распределение элементов по глубине торфяной залежи. Наибольшие амплитуды колебаний характерны для концентраций Fe и Cu. У группы элементов (Mn, Fe, Cu) наблюдаются пики концентрации, соответствующие увеличению степени разложения на глубине 5, 30 и ниже 80 см по торфяной залежи, но с разной амплитудой. Концентрации Na, Mg, P, K, Ca синхронно увеличиваются на глубине 15, 50 и ниже 90 см, с возрастанием на данных глубинах степени разложения торфа. Содержание Cd и Pb повышено от поверхности до 20-30 см, далее по глубине концентрация изменяется слабо, сохраняясь почти на одном уровне (рис. 2). Содержание в торфяной залежи ниже 80 см большинства элементов (Pb, Cd, Zn, Cu, Fe, Mn, Ca, K, Mg, Na) увеличивается одновременно с возрастанием степени разложения. Положительная корреляция наблюдается между степенью разложения и концентрацией Ca в торфе (rs = 0,8 при p < 0,05). Сравнение концентрации элементов в верхнем слое торфа на участках, в разной степени пострадавших от пожара, показало, что наибольшее содержание элементов на глубине 0-5 см обнаружено на участке ПГ1. Различия по концентрации элементов в верхнем слое торфа между ПГ1 и ПГ2 незначительные, концентрация элементов на ПГ1 выше от 1,3 (K) до 2,3 раз (Zn). На ПГ3 концентрация элементов продолжает снижаться, по сравнению с постпирогенными участками, и содержание элементов в верхнем слое меньше, чем на ПГ1. Снижение колеблется от 1,6 (P), 2,7 (Zn) и до 5 раз (Pb, Mn, Na и Cd). Наибольшее возрастание концентрации на ПГ1, по сравнению с РГ, зафиксировано по содержанию Na (14 раз) и Pb (5 раз). На участке РГ концентрации Fe и Cu в верхнем слое совпадают с концентрациями данных элементов на ПГ1, и выше, чем на других участках. Повышение концентрации элементов в верхних слоях (0-5 см) торфяной залежи на постпирогенных участках с частично или полностью выгоревшим растительным покровом объясняется наличием на данных участках слоя обугленного органического вещества, образовавшегося в результате почти полного уничтожения живых растений во время пожара и, как результат, постпирогенное увеличение степени разложения верхнего слоя торфа. Уровень болотных вод редко поднимается на эту высоту, капиллярная кайма нарушена из-за изменения структуры торфа и отсутствия мохового покрова, торф пересыхает и становится гидрофобным. Совокупность данных условий, сложившихся на постпирогенных участках, приводит к тому, что элементы сконцентрированы в основном в верхних слоях торфа. В слое торфа 5-10 см повышение концентрации элементов связаны в основном с увеличением степени разложения торфа. Исключение составляет повышение, по сравнению с другими участками, концентрации P, K, Na, Cu, Fe, Zn, Cd, Pb и Mg на участке ПГ3 в торфе с низкой степенью разложения. Данное повышение концентрации связано с расположением участка ПГ3, окруженного гарями. Во время пожара данный слой торфа находился на поверхности и активно поглощал элементы из дыма. В более нижних слоях торфа на постпирогенных участках концентрация Fe и Cu снижается, в то время как на соседних с ними ПГ3 и РГ на той же глубине концентрация данных элементов увеличивается вместе со степенью разложения. Благодаря увеличению концентрации Cu и Fe на участках ПГ3 и РГ наблюдается максимальное среднее содержание данных элементов по сравнению с гарями. Такое распределение объясняется тем, что на участках, соседних с выгоревшими, полностью сохранились растительность и, следовательно, естественная капиллярная кайма, при условии того, что модуль аэрального поступления некоторых элементов был даже выше, чем в пределах выгоревших участков [Харанжевская и др., 2019]. Рис. 2. Содержание элементов (мг/кг) в сухой массе и степень разложения торфа (%) по глубине торфяной залежи на исследованных участках Fig. 2. The content of elements (mg/kg) in the dry mass and the degree of decomposition of peat (%) of the peat deposit in the studied sites В таком случае элементы, мигрируя на соседние участки c атмосферным переносом в виде аэрозолей, при попадании на поверхность легко вымываются в более низкие слои, что характерно для почв прохладного и влажного климата [Kabata-Pendias, 2010]. Кроме того, микроэлементы активно перемещаются болотными водами с соседних участков [Харанжев-ская, Синюткина, 2021]. Осаждение поступивших элементов происходит преимущественно в слоях с высокой степенью разложения. Такие слои образуются на осушенных болотах в первые годы после осушения и характеризуются повышенной плотностью [Sinyutkina, 2021]. Высокая корреляция обнаружилась у Ca со степенью разложения по глубине торфяной залежи на всех участках. Синергизм в поведении Mn, Fe и Cu наблюдается на каждом из рассмотренных участков и объясняется сродством всех трех элементов к растворимым органическим комплексам и способностью связываться в кислой среде с гуминовыми и фульвокислотами [Kabata-Pendias, 2010]. Обсуждение результатов Сравнение полученных нами данных показало, что концентрация элементов в верхнем слое торфа участка ПГ1 превышает данные для аналогичных ненарушенных болот. Например, содержание Cu на участках ПГ1 и РГ превышает концентрацию данного элемента в торфах с болот Кировской области в 100 раз, а содержание Zn на ПГ1 больше в 43 раза [Шихова и др., 2016]. Концентрации элементов в торфе болота Чистое в Томской области [Архипов, 2017] ближе к нашим данным. Так, содержание Ca на ПГ1 выше всего в 1,2 раза, Mn - в 2,4, а Fe - в 5 раз. Содержание элементов в торфе Плотниковско-го болота [Stepanova et al., 2015] меньше, чем на ПГ1, от 1,3 (концентрация Ca) до 22 раз (Pb), содержание остальных элементов больше на постпирогенном участке ПГ1 от 3 до 5 раз. Концентрация элементов в верхнем слое торфяной залежи ненарушенных участков Васюганского болота также ниже, чем на ПГ1 по содержанию Na (50 раз), K (30 раз) и Pb (9 раз) [Savichev et al., 2020], по другим данным наибольшая разница наблюдается для тех же элементов: Na (23 раза), K (40 раз) и Pb (18 раз) [Rudmin et al., 2020]. Таким образом, по сравнению с торфом ненарушенных болот, на постпирогенном участке меньше всего возрастает концентрация Ca (менее 2 раз), а также Mn и Mg (не выше 4 раз) [Stepanova et al., 2015; Архипов, 2017; Rudmin et al., 2020; Savichev et al., 2020]. Наибольшая разница зафиксирована для концентрации в торфе Na, K и Pb [Rudmin et al., 2020; Savichev et al., 2020]. Торф с осушенных участков болот также содержит меньше Pb, чем на ПГ1. По нашим данным, разница достигает 10 раз [Гашкова, 2015], а по данным [Е.С. Гонина и соавт., 2017] концентрация Pb в торфе осушенных болот меньше, чем на постпирогенном участке, в 15 раз. Для концентрации остальных элементов (Cu, Zn и Cd) зафиксирована небольшая разница [Гашкова, 2015; Завгородняя, 2015; Гонина и др., 2017]. Заключение Таким образом, выгорание растительности коренным образом влияет на накопление элементов и их способность перемещаться по торфяной залежи. Наибольшие концентрации элементов на постпирогенных участках обнаружены в верхних слоях торфяной залежи. Увеличение содержания элементов в верхних слоях происходит в среднем в 2-6 раз. На соседних с пожаром участках сохранившийся растительный покров способствует перемещению элементов вниз по торфяной залежи. В верхнем слое торфа постпирогенного болота, по сравнению с торфом ненарушенных болот, наиболее увеличиваются концентрации Na, K и Pb. Содержание Ca в торфе коррелирует со степенью разложения и значимо не увеличивается на постпирогенных болотах по сравнению с ненарушенными.

Скачать электронную версию публикации