Пожары являются важной составляющей эволюции лесных экосистем. Они оказывают влияние на формирование и развитие ландшафтов, воздействуя на сукцессионную динамику лесного покрова. Территория Западной Сибири является уникальным объектом для изучения долговременной динамики лесных пожаров, поскольку большую часть ее площади занимают болотные и озерные комплексы, хранящие «летопись» о событиях прошлого в виде растительной органики, палиноморф и макроугольков. В данной работе проведена реконструкция голоценовой динамики пожаров на территории севера таёжной зоны Западной Сибири. Участок исследования расположен в районе научной станции «Мухрино» – озеро
«S14» (60°51′45.68″N; 68°44′55.43″E), в 23 км к юго-западу от г. Ханты-Мансийска. Исследуемая территория относится к среднетаежной подзоне Обско-Иртышской провинции [Исаченко, 2014], для которой характерны обширные комплексы грядово-мочажинных болот на междуречных пространствах с участками смешанных березово-еловых лесов на более дренированных территориях.
Для восстановления долговременной динамики пожаров прошлого исследуются озерно-болотные отложения, которые являются надежным «хранилищем» палеогеографической информации [Whitlock, Larsen, 2002]. С момента зарождения озера в нём непрерывно происходит накопление озёрных отложений из отмерших водных организмов и аллохтонных осадков, приносимых водой с суходола и оседающих из воздуха. Вместе с ними в донные отложения озера попадают частицы угольков, образующиеся во время пожаров. Ежегодно они погребаются под вновь образующимися слоями осадка. Таким образом, полная колонка донных отложений содержит последовательную «летопись»
пожарных событий территории, окружающей озеро, за время его существования. Одним из методов реконструкции пожарных условий голоцена является метод макроуголькового
анализа [Mooney, Tinner, 2011]. Этот анализ позволяет достоверно выявлять время, периодичность и интенсивность локальных пожаров в долговременном масштабе [Whitlock, Larsen, 2002] на основе подсчета макроугольков в озерных или болотных отложениях.
В ходе полевых работ в рамках проекта INTERACT в марте 2020 года был отобран керн озерных отложений мощностью 231 см из озера «S14». Для анализа макрочастиц угля из керна отбирались образцы объёмом 2 см3 с интервалом в 1–3 см. Все 113 образцов озерного керна были промыты дистиллированной водой и просеяны через сито 125 мкм. В каждый образец добавляли по 15 мл 10 % раствора пирофосфата натрия (Na4Р2О7) и оставляли на сутки. Через сутки отстаивания образцы промывались на сите 125 мк, в каждый образец добавлялось по 20 мл 6 % раствора перекиси водорода (H2O2), в этом растворе образцы выдерживались 2 суток.
Затем, после промывания образцов от H2O2, частицы древесного угля подсчитывали в камере Богорова под бинокулярным микроскопом при 45-кратном увеличении. Затруднение в обработке вызвали нижние образцы озерного керна с большим содержанием растительных волокон. Для их обработки вместо H2O2, согласно опубликованным методикам [Mooney, Tinner, 2011; Whitlock, Larsen, 2002], мы использовали 10 % раствор KOH (по 15 мл на образец) с последующим нагревом на водяной бане.
Для донных отложений озера «S14»
в радиоуглеродной лаборатории г. Познань (Польша) было получено 5 радиоуглеродных УМС-датировок (таблица). Радиоуглеродные даты были откалиброваны в программе Bacon [Christen, Perez, 2009; Blaauw, Christen, 2011] в R [R Core Team, 2017], и в этой же программе были датированы все исследованные образцы (рис.
1б). По результатам макроуголькового анализа и радиоуглеродного датирования была построена диаграмма динамики содержания макроугольков в отложениях озера «S14» с помощью программы Tilia 2.0.41. [Grimm, 2004] (рис. 1а). По данным
радиоуглеродного датирования возраст самых глубинных отложений озера составил ~11300 кал. лет (рис. 1б). Мы сопоставили полученный график макроугольков из оз. «S14» с имеющимися для Западной Сибири палеоклиматическими реконструкциями [Архипов, Волкова, 1994], отражающими динамику средних температур января и июля и годового количества атмосферных осадков. Границы периодов голоцена в этих палеореконструкциях мы откалибровали онлайн в программе IntCal 20 (calib.org/calib/). Именно эти калиброванные возрасты границ периодов голоцена мы использовали для сопоставления с калиброванным возрастом графика макроугольков из озера «S14» (рис. 1а).
На графике макроугольков (рис. 1а, левый график) видно, что по всей глубине керна наблюдаются неоднократные циклические увеличения и уменьшения содержания угольков в отложениях. Кроме того, можно отметить, что изменения обилия макроугольков на диаграмме хорошо сопоставимы с динамикой изменения годового количества осадков в палеоклиматических реконструкциях С.А.
Архипова и В.С. Волковой [Архипов, Волкова, 1994] (рис. 1а, правый график). В целом в голоцене периоды с более сухими климатическими условиями совпадают с повышенной пожарной активностью в районе исследования, отмеченной увеличенным обилием макроугольков в озёрных отложения «S14».
Рис. 1. а) диаграмма содержания макроугольков в отложениях озера «S-14» в сравнении с палеоклиматическими реконструкциями [Архипов, Волкова, 1994]; б) глубинно-возрастная модель донных отложений озера «S14» построена с помощью программы Bacon 3.4.3 [Christen, Perez 2009;
Blaauw, Christen, 2011] в R [R Core Team, 2017]
Мы провели корреляционный анализ параллельных рядов дигитализованных данных макроуголькового анализа и реконструкций годового количества осадков с временным шагом в 100 лет. Поскольку данные уголькового анализа не имели «нормального распределения» (Shapiro-Wilk test p<0.01), мы использовали непараметрический коэффициент корреляции Спирмана. Была выявлена высокозначимая отрицательная корреляция (rho
= -0.69, p<0.001) между угольковыми данными и данными реконструкции годового количества атмосферных осадков. Корреляционный анализ проведён с помощью программы Past 4.02 [Hammer et al., 2001]. Для дигитализации графиков использовалась программа PlotDigitizer [https://plotdigitizer.com].
Палеоклиматические реконструкции (рис.
1а) указывают на то, что в пребореальный период голоцена (12185–10613 кал. лет назад) пожарная активность ландшафта была значительно выше. Максимальная концентрация частиц макроугольков в озерных
отложениях наблюдалась ~11300 лет назад, в первой половине пребореала. Согласно палеоклиматическим реконструкциям [Архипов, Волкова, 1994], в этот период на территории Западной Сибири климат был несколько холоднее и суше современного, что привело к продвижению к югу границы лесотундровой зоны на 400 км. Вероятно, такие условия способствовали распространению пожаров на исследуемой территории. Во вторую половину пребореального периода климат стал теплее, но более влажным [Архипов, Волкова, 1994], что способствовало уменьшению числа пожаров на данной территории.
В бореальный период (10613–8886 кал.
л. н.) пожарная активность в целом снизилась по сравнению с предбореальным периодом, но отмечен 500-летний период нового усиления пирогенных событий в середине бореала.
Общее снижение интенсивности пожаров в этом периоде могло быть связано с массовым распространением болот с их переувлажнёнными ландшафтами, а 500-летний период интенсивных
Таблица 1. Радиоуглеродный возраст болотного озера «S14», Ханты-Мансийск Лабораторный
номер ID Глубина
датированного слоя, см
Радиоуглеродный возраст, 14С,
лет
Ошибка, лет
Poz-134628 S14 50-51 50.5 5320 40
Poz-134626 S14 100-101 100.5 8190 50
Poz-135825 S14 145-146 145.4 8910 50
Poz-135824 S14 190-191 190.5 9580 50
Poz-135823 S14 222-223 222.5 9690 50
пожаров мог быть обусловлен иссушением климата, отмеченным в реконструкциях резким снижением годового количества осадков.
Теплый и влажный климат атлантического периода (8886–5170 кал. л. н.) способствовал общему снижению пожарной активности. Однако в начале среднего голоцена, в период резкого уменьшения количества атмосферных осадков (до 450 мм/год) на границе AT1/AT2, наблюдается пик пожаров и в районе исследуемого озера
«S14». Последующее значительное увеличение годового количества осадков и общее потепление климата в период атлантического голоценового оптимума сдерживали распространение пожаров на исследуемой территории.
Суббореальный период (5170–2608 кал. лет назад) характеризовался стабильно повышенным содержанием макроугольков в озерных слоях, за исключением некоторых фаз снижения частоты пожаров (~5000 и ~4200 кал. л. н.). Палеоклиматические реконструкции [Архипов, Волкова, 1994] указывают на то, что пожары в районе озера «S14» происходили более часто во второй половине суббореала, отличавшейся снижением обилия атмосферных осадков.
В субатлантическом периоде голоцена (с 2608 кал. л. н. до современности) наблюдается
скачкообразное чередование повышенного и пониженного содержания угольков в отложениях.
Можно отметить общее увеличение обилия макроугольков примерно с 4 века н. э. до современности, что совпадает с реконструкцией снижения обилия атмосферных осадков в этом периоде. Начиная со второй половины последнего тысячелетия и до наших дней данные уголькового анализа демонстрируют резкий скачок обилия угольков, несмотря на общую тенденцию постепенного увеличения количества атмосферных осадков. Вероятно, это увеличение обилия макроугольков отражает начавшийся антропогенный вклад в распространение пожаров на исследуемой территории.
Проведённое исследование показало, что в периоды с более сухим климатом происходило больше пожаров, а в более влажные периоды – меньше. Это указывает на то, что главную роль в возникновении пожаров на исследуемой территории в течение всего голоцена играли климатические условия, из которых определяющим являлось годовое количество атмосферных осадков, и лишь в последние столетия на эту закономерность наложился антропогенный фактор.
Работа выполнена при поддержке государственной бюджетной темы ИМКЭС СО РАН
№ No. 121031300226-5 и проекта INTERACT Европейского Союза Horizon 2020 в соответствии с соглашением о гранте № 730938. Авторы выражают глубокую благодарность Е. Д. Лапшиной и П. А. Бляхарчуку, внёсшим большой вклад в организацию и проведение полевых работ в районе стационара «Мухрино».
1. Архипов С.А., Волкова В.С. Геологическая история, ландшафты и климаты плейстоцена Западной Сибири. Новосибирск : НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1994. 105 с.
2. Исаченко А.Г. Западная Сибирь как объект историко-географического изучения и описания // Известия Русского географического общества. 2014. Т. 146, № 1. С. 3–20.
3. Blaauw M., Christen J.A. Flexible paleoclimate age-depth models using an 601 autoregressive gamma process // Bayesian Analysis. 2011. V. 6. P. 457–474.
4. Grimm E.C. TGView Vеrsion 2.0.2. Springfield : Illinois State Museum research and Collections Center, 2004.
5. Hammer Ø, Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological statistics software package for education and data analysis // Palaeontologia Electronic. 2001. № 4(1). Р. 9.
6. Mooney S., Tinner W. The analysis of charcoal in peat and organic sediments // Mires Peat. 2011. V. 7. P. 1–18.
7. R Core Team. 2017: R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna. – URL: http://www.R-project.org/.
8. Whitlock C., Larsen C. Charcoal as a fire proxy // Tracking Environmental Change Using Lake Sediments.
Верховые болота с выраженным ярусом из Pinus sylvestris широко распространены в таежной зоне европейской части России [Юрковская, 1992; Кузнецов, 2012]. В Республике Коми они представлены многочисленными преимущественно небольшими по размерам массивами. Эти болота приурочены к неглубоким депрессиям и бессточным котловинам, часто образуют комплексы с лесными экосистемами.
Они особенно подвержены влиянию пирогенного воздействия, одного из важнейших экологических факторов, определяющих состав, структуру и динамику растительного покрова бореальной зоны [Работнов, 1978; Ефремова, Ефремов, 1994; Минаева, Сирин, 2002; Minayeva et al., 2013;
Сирин и др., 2011; Parish et al., 2008; Joosten et al., 2016 и др.]. Способность болот формировать торфяную залежь, хранящую информацию о прошлых событиях, делает их уникальными объектами для изучения климатических и экологических изменений. Несмотря на длительную историю изучения болот Республики Коми, до настоящего времени исследований по выявлению влияния пожаров на болотные экосистемы практически не проводилось. В связи с этим целью нашей работы являлась реконструкция истории развития растительности лесного болота и влияние пирогенного фактора на ее смены в голоцене.
В 2019 г. детально обследовано верховое сосново-кустарничково-сфагновое болото, расположенное в равнинной части средней тайги Республики Коми. Объект исследований находится в Койгородском районе Республики Коми (N59°58’58.0’’; E50°09’25.5’’). Площадь болотного массива – около 300 га. Микрорельеф представлен небольшими приствольными кочками и валежем. В составе древесного яруса доминирует сосна (Pinus sylvestris L.), общая сомкнутость крон – 0,4–0,5. Высота верхнего полога составляет 12–16 м, нижнего – 6–10 м.
В небольшом количестве присутствует береза (Betula pubescens Ehrh.). Деревья низкого бонитета. Единичны обгоревшие сухостойные деревья. Подрост малочисленен, представлен
сосной и елью (Picea obovata Ledeb.). Травяно- кустарничковый ярус образован Ledum palustre L., Chamaedaphne calyculata L. Moench., Rubus chamaemorus L., Eriophorum vaginatum L. и Vaccinium myrtillus L. Также встречаются Carex globularis L., Oxycoccus palustris Pers., Melampyrum pratense L. и V. uliginosum L. В моховом ярусе обильны Sphagnum angustifolium (Russow) C.E.O. Jensen, S. divinum Flatberg &
K. Hasse, S. girgensohnii Russow, Polytrichum commune Hedv., Pleurozium schreberi Brid.
Мощность торфяной залежи на месте заложения разреза составляет 1,15 м. Верхние 0,7 м сложены торфами лесного подтипа, древесно-травяной и моховой групп, ниже и до минерального дна – ОМО, в котором растения имеют высокую степень разложения и зольность, доля песка в минеральном компоненте составляет 20–30 %.
Исследования включали в себя геоботанические описания, отбор поперечных спилов деревьев для дендрохронологических датировок современных событий, выполнение почвенного разреза, послойный отбор образцов торфа и органо-минерального остатка (ОМО) с последующим определением ботанического состава, радиоуглеродного возраста и физико- химических свойств. Радиоуглеродный анализ проведен жидкостно-сцинтилляционным методом в Институте мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН (ИМКЭС СО РАН). Всего получены две радиоуглеродные даты: 9030±200 л. н. (глуб.
1,04–1,05 м), 4433±150 (глуб, 0,50–0,70 м) и дендрохронологическая дата – 140±5 л, н, (глуб, 0,10–0,15 м).
На основании стратиграфии торфяной залежи, дендрологического и радиоуглеродного датирования была выполнена реконструкция генезиса верхового сосново-кустарничкового сфагнового болота, которое в своем развитии прошло четыре стадии.
I стадия, глубина 1.15–0.70 м, органо- минеральный остаток (ОМО), возраст 9030±200 л. н. Болотообразовательный процесс