Влияние пожаров на свойства подзолов восточного побережья северного Сахалина

Вестник ДВО РАН. 2015. № 5

УДК 631.41 Е.А. ЖАРИКОВА

Влияние пожаров на свойства подзолов восточного побережья северного Сахалина

Исследованы послепожарные изменения морфологических, физико-химических и химических свойств подзолов, формирующихся под кедровостланиковыми лесами. Пирогенные поверхностные горизонты обеднены органическим веществом, величина кислотности снижается. Изменяется содержание тяжелых металлов в поверхностном слое. Для всех подзолов характерно низкое содержание подвижных форм микроэлементов.

Ключевые слова: подзолы, свойства почв, тяжелые металлы, пирогеннные горизонты.

The influence of fires on the properties of podzols in the East coast of the North Sakhalin. E.A. ZHARIKOVA (Institute of Biology and Soil Science, FEB RAS, Vladivostok).

The post-fire changes in the morphological, physicochemical, and chemical properties of podzols under mountain pine forests were studied. The pyrogenic mineral soil horizons in the burnt area became depleted of the organic matter, the pH values became lower. The concentrations of most heavy metals change in the upper layers of soils. All podzols are specified by a low content of mobile forms of microelements.

Key words: podzols, properties of soils, heavy metals, pyrogenic layers.

Пожары являются важным фактором, влияющим на функционирование лесных экосистем, способствующим возникновению новых, пирогенных форм почвенно-растительного покрова. По данным А.С. Исаева [8], в России ежегодно происходит от 15 тыс. до 50 тыс. лесных пожаров, повреждающих от 2 млн до 17 млн га лесов. Огонь служит непосредственной причиной изменения основных физических и химических свойств почв, зачастую способствуя деградации почвы как природного тела.

А.П. Сапожников [20] разделил все разнообразные послепожарные изменения почв на две основные группы: пирогенная трансформация отдельных свойств почв (поверхностные изменения), являющаяся результатом прямого пиролиза подстилки и почвы, и пирогенная трансформация процессов почвообразования (органо-деструктивные изменения почв). При этом в зависимости от физико-географических условий влияние пожаров на свойства почв может различаться. Сведения о послепожарных изменениях кислотно-основных свойств почв, содержании элементов питания и микроэлементов, составе обменных катионов и некоторых других характеристиках весьма противоречивы [24, 26].

Исследование послепожарных изменений почвенного покрова крайне важно для решения генетических и эволюционных задач почвоведения и объективной экологической оценки современного состояния лесных экосистем. Без этого невозможны понимание путей восстановительной динамики компонентов лесных экосистем и разработка прогноза их состояния при разных воздействиях пирогенного фактора [13, 15].

Лесные экосистемы Сахалина характеризуются высокой природной пожароопас-ностью. Кроме того, восточное побережье острова относится к районам активной

ЖАРИКОВА Елена Анатольевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник (Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток). E-mail: ejarikova@mail.ru

нефтедобычи и транспортировки, при которых наблюдается значительное негативное воздействие на природные ландшафты, а факельное сжигание попутного газа является источником постоянного риска возгорания. Пожары не только наносят материальный ущерб, но и вызывают ухудшение экологической обстановки из-за изменения микроклиматических и почвенных условий. Отмечено, что на территории, занятой кедрово-стланиковыми зарослями, после пожаров на длительный срок практически прекращаются все природные ландшафтно-стабилизирующие процессы [3, 9].

На севере Сахалина наиболее полно изучено влияние пожаров на формирование дре-востоев [2, 19], влияние огня на почву остается слабо изученным [3, 5, 25]. Цель данной работы - выявить воздействие пожаров на изменение свойств и эволюцию подзолов восточного побережья острова.

Почвенные изыскания проводились в Чайво-Одоптунском районе. В геоморфологическом отношении территория представляет собой сочетание средних по высоте и низких морских террас. Абсолютные отметки территории - 2-90 м. Климатические условия холодного Охотоморского побережья не позволяют сформироваться здесь высокопродуктивным по биомассе растительным сообществам. Растительность на высоких морских террасах представлена лишайниково-шикшево-багульниковыми зарослями кедрового стланика, занимающими значительные площади (рис. 1, см. с. 3 обложки). Эти малоценные в хозяйственном отношении заросли выполняют очень важные экологические функции: защищают почвы от ветровой и водной эрозии и являются местом обитания различных животных и птиц.

В автоморфных ландшафтах данной территории на бедных по минералогическому составу почвообразующих породах (рыхлые крупнозернистые аллювиально-морские пески и супеси) при низкой активности микрофлоры и слабой интенсивности всех почвенных процессов формируются преимущественно сильнокислые почвы грубогумус-ной природы - различные подзолы (альфегумусовые) [7, 10, 11], которые и стали объектом изучения.

Для оценки физико-химических свойств почв использовали общепринятые в почвоведении методики [1]. Валовое содержание тяжелых металлов (ТМ) определяли согласно стандартным методикам, определение подвижных форм ТМ проводили после экстракции ацетатно-аммонийным буфером с рН 4,8 [1]. Основным почвообразующим процессом, в результате которого отчетливо прослеживается дифференциация почвенного профиля в морфологическом, гранулометрическом, гидрофизическом и химическом отношениях, является подзолистый. При этом в верхней части профиля накапливаются плохо разложившиеся, малозольные растительные остатки и формируется грубогумусовый (АО)* или сухоторфянистый горизонт (Т). Под органогенным слоем залегает осветленный, сильно выщелоченный и бедный питательными элементами подзолистый горизонт (Е), который сменяется иллювиальным, обогащенным главным образом полуторными окислами железа (иллювиально-железистый, BF) и иногда гумусом (иллювиально-гумусовый, ВОТ) (рис. 1, см. с. 3 обложки).

Толщина очень рыхлого органогенного слоя варьирует от маломощной до мощной (табл. 1). Его характеризуют высокое содержание органического вещества, очень слабая насыщенность основаниями, значительная актуальная, обменная и гидролитическая кислотность, низкое содержание подвижных элементов питания (фосфора и калия) (табл. 1). Этот горизонт имеет важнейшее экологическое значение - он является банком наиболее доступных для растений элементов питания, медленно высвобождающихся при минерализации органики, защищает почвы от водной и ветровой эрозии, служит хранилищем запасов семян. Именно в нем сосредоточены основная масса корней и почвенная биота.

Почти повсеместно наблюдаются следы пожаров различной давности. После многократного выгорания кедрового стланика с поверхностным слоем ягеля и мхов и глубокого

* Здесь и далее индексы генетических горизонтов почв указываются по [10].

К статье Е.А. Жариковой «Влияние пожаров на свойства подзолов восточного побережья северного Сахалина»

Рис. 2. Зарастание горельников редким злаково-разнотравным травостоем. Справа профиль подзола иллювиально-железистого пирогенезированного

Таблица 1

Основные свойства поверхностных горизонтов подзолов

Показатель Ненарушенные почвы Пирогенезированные

7-29 3-13

Мощность, см 16 7

Плотность сложения, г/см3 0,11-0,19 0,58-0,96

0,15 0,78

25,3-87,2 10,7-27,4

Органическое вещество (потери при прокаливании), % 63,4 17,3

рН водный 3,4-5,2 4,2-5,5

4,0 4,7

2,5-3,5 3,2-4,1

рН солевой 2,9 3,5

Гидролитическая кислотность, мг-экв./100 г почвы 4,92-76,76 3,54-21,13

42,54 11,82

5,47-21,94 2,27-7,97

Сума поглощенных оснований, мг-экв./100 г почвы 15,15 4,91

Степень насыщенности, % 20-26 27-43

24 33

Подвижный фосфор, мг/100 г почвы 1,0-2,6 1,4-3,2

1,8 2,4

Подвижный калий, мг/100 г почвы 8,2-9,7 2,6-20,2

9,5 9,1

Примечание. Здесь и в табл. 2 над чертой - диапазон значений, под чертой - среднее арифметическое.

прогорания почвы среди валежа и сухостоя идет процесс медленного зарастания кустарниковой березой, вейником, иван-чаем и т.д., образуется очень редкий злаково-разнотрав-ный травостой (рис. 2, см. с. 3 обложки).

В темнохвойных лесах Сибири на сильно выгоревших территориях по мере активного разрастания и уплотнения вейникового травостоя формируются на легких породах слабодерновые подзолы и дерново-подзолистые почвы (по схеме: подзолы ^ пирогенные подзолы ^ слабодерновые подзолы ^ дерново-подзолистые почвы) [23]. Однако на севере Сахалина данный эволюционный ряд почв не прослеживается, травостой длительное время остается изреженным и образования дернины, необходимой для интенсивного накопления растительных остатков и формирования гумусового горизонта, не наблюдается.

В почвах самые большие изменения огонь производит в верхних горизонтах. Наиболее долгосрочным и разрушительным результатом пожара является обнажение минерального слоя почвы вследствие уничтожения растительного напочвенного покрова и органогенных горизонтов, что дает старт деградационным процессам, способствует усилению эрозии и, как следствие, снижению биоразнообразия. Обнажение легких по гранулометрическому составу и бедных элементами питания иллювиальных слоев препятствует возобновлению растительного покрова и, следовательно, закреплению почв, поэтому они переходят в категорию сильнодеградированных [6].

После пожара на поверхности формируется неглубокий легкий песчаный органо-минеральный горизонт АЕрк с углистыми частицами, которые в период интенсивного таяния снегов активно вымываются с поверхности почвы в результате процессов плоскостной и мелкобороздчатой эрозии. Высокая температура при пожаре способствует появлению в средней части профиля очень плотного горизонта ВF, представляющего собой сцементированный полуторными окислами песок. Сверху плотный, темно-коричневый, ниже он резко переходит в рыхлую ярко-лимонно-желтую массу. Уплотнение поверхностных слоев почв после пожара способствует некоторому снижению фильтрующей способности почв и усилению смыва мелкозема [6]. Исходные сухоторфяно- и дерново-подзолы иллювиально-железистые

постепенно эволюционируют в подзолы иллювиально-железистые пирогенезированные (АЕрк^-В2-ВС).

Пирогенный органо-минеральный горизонт преимущественно маломощный, с невысоким содержанием органического вещества. В нем явно прослеживается сдвиг кислотности в область нейтральных значений (увеличение значений рН водного и солевого) одновременно со снижением содержания поглощенных оснований при увеличении доли магния в почвенном поглощающем комплексе. Подобные послепожарные изменения в поверхностном слое почв отмечены ранее для южного Прибайкалья и Алтая [14, 22]. При этом степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса основаниями повышается вследствие уменьшения величины гидролитической кислотности. Содержание подвижных элементов питания (фосфора и калия) практически не меняется, хотя пределы содержания последнего значительно расширяются (табл. 1).

В литературе неоднократно указывалось, что в результате пожаров изменяется микроэлементный состав почв, в наибольшей степени это касается верхних 10 см, причем по-слепожарное перераспределение тяжелых металлов (ТМ) в почвах разных регионов различается [12, 15, 26]. В южном Прибайкалье в грубогумусовых подзолах поверхностные пирогенные горизонты характеризуются накоплением марганца, свинца и кобальта при заметном снижении концентрации остальных элементов [14], а в серогумусовых почвах накапливаются цинк, кадмий и кобальт [13]. В дерново-подбурах Бурятии увеличение в 1,5-2 раза содержания микроэлементов (марганца, цинка, меди, никеля, хрома, свинца и кадмия) отмечено лишь в первый год после пожара, через 8-10 лет оно приближается к исходному [21].

Среднее содержание тяжелых металлов в ненарушенных подзолах восточного побережья северного Сахалина отражает региональные геолого-геохимические особенности территории [17, 18] (табл. 2). Анализ значений коэффициентов радиальной дифференциации (отношение валового содержания элемента в верхнем горизонте к содержанию в по-чвообразующей породе) показал, что в поверхностном слое ненарушенных почв происходит активное накопление элементов, участвующих в малом биологическом круговороте, в первую очередь цинка и меди. Выявлено небольшое увеличение содержания свинца, количество кадмия и хрома сопоставимо с содержанием в породе, остальные элементы концентрируются в глубине профиля (рис. 3). В поверхностных горизонтах пирогенези-рованных почв наблюдается иная картина: снижается количество цинка и меди и увеличивается содержание остальных тяжелых металлов. Сравнение концентрации элементов в пирогенных слоях с их концентрацией в органогенных горизонтах ненарушенных почв

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

Рис. 3. Коэффициенты радиальной дифференциации тяжелых металлов в ненарушенных (1) и пирогенезированных (2) подзолах

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов (мг/кг) в верхних горизонтах ненарушенных и пирогенезированных подзолов

Класс опасности Валовое содержание Содержание подвижных форм

ТМ Ненарушенные

Ав 0,35-1,70 1,10 1,35-4,40 2,73 Не опр. Не опр.

са 0,05-0,10 0,075-0,137 0,01-0,04 0,02-0,04

0,072 0,112 0,03 0,03

1 и§ 0,03-0,10 0,06 0,07-0,13 0,09 Не опр. Не опр.

РЬ 2,4-4,8 2,2-6,4 0,27-0,74 0,32-0,52

3,9 4,3 0,53 0,39

гп 3,3-38,5 3,5-10,6 1,95-8,44 0,47-0,60

16,5 6,1 4,13 0,53

Си 2,2-4,8 1,2-2,7 0,15-0,64 0,06-0,14

2 3,0 1,8 0,33 0,11

Сг 1,6-8,3 4,4-7,3 0,06-0,18 0,09-0,23

4,1 6,1 0,13 0,15

Мп 14,0-72,6 28,5-47,3 1,3-5,2 0,6-1,3

3 33,5 39,5 2,8 0,9

Ва 1-162 63 44-250 132 Не опр. Не опр.

позволило построить ряд ТМ по интенсивности аккумуляции в верхнем горизонте (индекс элемента является отношением его содержания в пирогенном слое к содержанию в ненарушенном орган°генном): А^^ > Ва2Д1 > Сг1>50 > ^^ > СЯ^ > Мп1Д8 > рь1Д2 > си0>60 >

2П0,37.

Уменьшение степени подвижности ТМ и, соответственно, их закрепление в верхней части профиля происходит вследствие снижения уровня кислотности и изменения окислительно-восстановительных условий после прогорания органогенного горизонта при резком уменьшении уровня естественной влажности [12]. Кроме того, по данным [16, 17], обнажившиеся минеральные горизонты альфегумусовых подзолов изначально характеризуются более высоким содержанием бария, чем органогенные.

Количество подвижных форм тяжелых металлов в подзолах невелико, почвы слабо обеспечены необходимыми для растений доступными формами микроэлементов (в первую очередь цинком и медью) [4]. Прослеживается небольшое постпирогенное увеличение содержания хрома, на прежнем уровне остается содержание кадмия, а количество свинца, цинка, меди и марганца снижается. Содержание и подвижных форм ТМ, и валовых не превышает ПДК, поэтому почвы можно считать незагрязненными.

Таким образом, пожары вызывают значительное изменение морфологии подзолов, формирующихся в автоморфных ландшафтах под кедровостланиковыми зарослями восточного побережья северного Сахалина, способствуя появлению подзолов иллювиально-железистых пирогенезированных на месте сухоторфяно- и дерново-подзолов. Пирогенная трансформация сопровождается изменением основных свойств поверхностных горизонтов: уничтожением органогенного горизонта или сильным уменьшением его мощности, увеличением плотности сложения, снижением естественной влажности, содержания органического вещества и кислотности, увеличением содержания ряда тяжелых металлов.

Вследствие этого нарушаются важнейшие экологические функции почв, происходит активация эрозионных процессов. Резкое снижение запаса семян в почве препятствует процессу восстановления растительного покрова, в результате обедняется кормовая база и

сокращаются места обитания фауны. Все это способствует увеличению количества земель с низким биологическим потенциалом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. 656 с.

2. Буренина Т. А. Изменение запасов надземной фитомассы и эмиссии углерода при пожарах на лесоболот-ных комплексах о. Сахалин // Вестн. СВНЦ ДВО РАН. 2006. № 2. С. 75-85.

3. Буренина Т. А. Катастрофические лесные пожары на Сахалине и их экологические последствия // География и природ. ресурсы. 2007. № 2. С. 51-59.

4. Водяницкий Ю.Н. Учет геохимических особенностей территории и погодных условий при нормировании тяжелых металлов в почвах // Агрохимия. 2014. № 2. С. 66-72.

5. Жарикова Е.А., Ознобихин В.И. Нарушение лесорастительных свойств почвенного покрова Северного Сахалина пожарами // Вестн. КрасГАУ 2008. Вып. 5. С. 135-139.

6. Жарикова Е.А., Ознобихин В.И. Оценка устойчивости почв к эрозии и деградации при обустройстве нефтяных месторождений Северного Сахалина // Изв. Иркут. гос. ун-та. Серия «Биология. Экология». 2011. Т. 4, № 3. С. 109-118.

7. Ивлев А.М. Особенности генезиса и биогеохимии почв Сахалина. М.: Недра, 1977. 143 с.

8. Исаев А.С. Лес как национальное достояние России // Век глобализации. 2011. № 1. С. 148-158.

9. Кирюшин П.А., Книжников А.Ю., Кочи К.В., Пузанова Т.А., Уваров С.А. Попутный нефтяной газ в России: «Сжигать нельзя, перерабатывать!»: аналит. докл. об экономических и экологических издержках сжигания попутного нефтяного газа в России. М.: Всемир. фонд дикой природы (WWF), 2013. 88 с.

10. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

11. Костенков Н.М., Ознобихин В.И., Гулецкий В.П. Классификация и характеристика почв Северо-Саха-линской низменности // Аграрная политика и технология производства сельскохозяйственной продукции в странах Азиатско-Тихоокеанского региона. Уссурийск: ПГСХА, 2002. Т. 2. С. 78-84.

12. Краснощеков Ю.Н., Чередникова Ю.С. Постпирогенная трансформация почв кедровых лесов в южном Прибайкалье // Почвоведение. 2012. № 10. С. 1057-1067.

13. Краснощеков Ю.Н. Трансформация серогумусовых почв сосновых лесов под влиянием пожаров в юго-западном Прибайкалье // Лесоведение. 2011. № 2. С. 3-12.

14. Куценогий К.П., Чанкина О.В., Ковальская Г. А., Савченко Т.И., Иванова Г.А., Иванов А.В., Тарасов П.А. Постпирогенные изменения элементного состава лесных горючих материалов и почв в бореальных лесах Сибири // Сиб. экол. журн. 2003. № 6. С. 735-742.

15. Максимова Е.Ю., Цибарт А.С., Абакумов Е.В. Свойства почв Тольяттинского соснового бора после катастрофических пожаров 2010 // Почвоведение. 2014. № 9. С. 1131-1144.

16. Никонов В.В., Лукина Н.В., Фронтасьева М.В. Рассеянные элементы в Al-Fe-гумусовых подзолах // Рассеянные элементы в бореальных лесах. М.: Наука, 2004. C. 85-113.

17. Побережная Т.М. Геохимия основных типов почв Сахалина // Вестн. Сахалин. музея. Южно-Сахалинск, 2001. № 8. С. 301-306.

18. Побережная Т.М. Ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине // Вестн. ДВО РАН. 2006. № 1. С. 109-114.

19. Сабиров Р.Н. Антропогенная трансформация лесов Сахалина // Леса и лесообразовательный процесс на Дальнем Востоке. Владивосток: ДВО РАН, 1999. С. 155-156.

20. Сапожников А.П. Роль огня в формировании лесных почв // Экология. 1976. № 1. С. 43-46.

21. Сосорова С.Б., Меркушева М.Г., Убугунов Л.Л. Пирогенное изменение содержания микроэлементов в почвах и растениях сосновых лесов западного Забайкалья // Сиб. экол. журн. 2013. № 5. С. 661-674.

22. Тарасов П.А., Михно А.С., Сизина А.Ф. Оценка пирогенного влияния на почвы ленточных боров Алтая // Вестн. КрасГАУ 2011. № 1. С. 26-30.

23. Фуряев В.В., Киреев Д.М. Изучение послепожарной динамики лесов на ландшафтной основе. Новосибирск: Наука, 1979. 160 с.

24. Цибарт А.С., Геннадиев А.Н. Влияние пожаров на свойства лесных почв Приамурья (Норский заповедник) // Почвоведение. 2008. № 7. С. 783-792.

25. Шляхов С.А. Пирогенная трансформация почв Северного Сахалина // Экологический риск и экологическая безопасность: материалы III Всерос. науч. конф. с междунар. участием, Иркутск, 24-27 апр. 2012 г. Иркутск: Изд-во Ин-та географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2012. Т. 2. С. 100-102.

26. Щербов Б.Л., Страховенко В.Д., Сухоруков Ф.В. Экогеохимическая роль лесных пожаров в Байкальском регионе // География и природ. ресурсы. 2008. № 2. С. 60-66.