ВЛИЯНИЕ ПОЖАРОВ НА СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ТОРФЯНИКОВ
«Методы магнитно-резонансных исследований»
Санкт-Петербургского государственного университета.
По результатам радиоуглеродного датирования выявлено, что формирование торфяника I мощностью в 105 см началось в первой половине бореального периода (9030±200 л. н.). Средняя скорость роста отложений в торфе составляет 0,11 мм/год.
Пирогенные углистые включения обнаружены в самом нижнем горизонте (193 шт./см3), что свидетельствует о пожаре (или серии пожаров), который, вероятно, привел к заболачиванию территории около 9 тысяч лет назад. В возрасте от 7500 до 4500 л. н. наблюдается высокое содержание макрочастиц углей, что говорит о частоте (интенсивных) пожаров. Согласно данным дендрохронологических исследований, 140 лет назад был крупный пожар (таблица),
способствовавший формированию пирогенного горизонта на глубине 10–15 см (783 шт./см3).
Начало формирования торфяника II мощностью 218 см относится к середине атлантического периода (6730±120 лет назад).
Средняя скорость роста отложений в торфе составляет 0,32 мм/год. По данным подсчета макрочастиц угля, максимальное количество пирогенных включений в торфяной толще обнаружено на глубине 120–140 см (496 шт./
см3), что соответствует возрасту около пяти тысяч лет. Согласно дендрохронологическим исследованиям, торфяник был подвержен пожару в 1906 году (возраст 115 лет), но леса, прилегающие к этому болоту, горели не менее пяти раз за предыдущие 250 лет (1911, 1906, 1896, 1841, 1772). Увеличение количества угля на глубине 18–20 см (139 шт./см3), вероятно, связано с пожаром 113 лет назад (таблица).
Выявлено, что 13C-ЯМР CPMAS-спектры в верхнем горизонте почвы на участке I значительно отличаются от более глубоких горизонтов.
Преобладают О-алкильные С (64 %) и алкил-С (16 %) фрагменты с низкой долей арильных С (15,9 %) и карбоксильных фрагментов (4,0 %).
Состав ОВ на глубине от 15 до 105 см достаточно стабилен: состав ОВ характеризуется высоким содержанием алифатических фрагментов (39,2-44,2 %) с увеличением доли от верхнего горизонта к нижнему. Доля относящихся к ним фрагментов целлюлозоподобных веществ (CO-
Alk-O) значительна (от 12 до 21,4 %), содержание
уменьшается от верхнего горизонта к нижнему.
По увеличению доли ароматических фрагментов выделяются горизонты с четкими признаками воздействия огня, прослеживаемыми на глубинах 10–15 и 105–115 см. Содержание в них СAR-H (С) составляет 36,4 и 24,2 % соответственно.
Максимальные значения степени ароматичности (fa) и отношения AR / AL выявлены на одних и тех же горизонтах.
Содержание доминирующих
молекулярных фрагментов в органическом веществе почвы II имеет некоторые отличия от почвы I. Максимальная доля О-алкильных фрагментов (55,4 %) обнаружена в верхнем горизонте. Профильное распределение большинства молекулярных групп, вероятно, больше отражается на составе доминирующих
растений. В ОВ верхних горизонтов до глубины 60 см выявлено преобладание О-алкил С с наибольшим содержанием целлюлозоподобных соединений. Концентрация CAlk-H изменяется от 23 до 28 %. На глубинах от 60 (80) до 160 см доля CAlk значительно увеличится до 39- 40,5 % при небольшом уменьшении CAlk-O. В составе органического вещества на глубинах 140–220 см максимальная доля метоксильных групп (9,8–12,1 %), вероятно, связанных с лигнинами и CAr-H(C) (17,1–20,3 %), представлена ароматическими соединениями. Содержание углерода карбоксильных групп незначительно и не превышает 4,4 %. В этом разрезе наблюдается плавное увеличение степени ароматичности от верхнего (17–18 %) горизонта к нижнему (25,9 %).
Преобладающими индивидуальными ПАУ были нафталин, фенантрен, хризен, бензо[ghi]
перилен, бензо [b] флуорантен и бензо [а] пирен.
Увеличение массовой доли ПАУ наблюдается в слоях 90–115 см (I) и 129–130, 180–200 см (II). Массовая доля ПАУ увеличивается также в горизонте 10–15 см (почва I). Образцы торфа (почва I) имеют высокие значения 1011 нг/г ПАУ в пирогенном горизонте 10–15 см, в котором преобладают нафталин, фенантрен, флуорантен, хризен. Возможно предположить, что они имеют пирогенное происхождение.
В торфе (почва II) локальные максимумы 2-4-ядерных ПАУ (фенантрена, антрацена, Таблица. Даты пожаров, выявленные дендрохронологическим методом, и периоды между ними на исследуемых участках
Торфяник Установленные
даты пожаров Год учета Интервал между пожарами, лет
Средняя периодичность
пожаров, лет
Давность пожара, лет
1 2
I 1879 – 2019 – – 140
II 1906 1869 2019 37 37 113
пирена, хризена) наблюдаются в горизонтах 129–130 и 180–200 см. Также в этих слоях торфа увеличивается количество 5-6-ядерных ПАУ (бензо [ghi] перилен, бензо [b] флуорантен, дибенз (a, h) антрацен), и, скорее всего, они связаны с ботаническим составом. 5-ядерный бенз (а) пирен имеет максимальное содержание в горизонте 20–40 см и, возможно, имеет пирогенное происхождение.
Таким образом, в результате проведенных исследований представлены результаты по комплексному изучению пожаров в голоцене в бореальной зоне северо-востока европейской части России. По информации, хранящейся в торфяных залежах, воссоздана динамика пожаров и накопления угля в торфяных горизонтах. Выявленные пирогенные признаки изученных торфов отражают современное
развитие болот и их отдельные этапы. Показано, что высокая интенсивность пожаров наблюдается во время оптимума голоцена (атлантический период), когда средняя температура превышала современную на 2–3 ºC. Пожары в суббореальный период (холодный и сухой) происходили намного реже, чем во время оптимума. Выявлено резкое увеличение концентрации макрочастиц угля в нижних торфяных горизонтах исследуемых почв.
Можно предположить, что пожары в них являлись фактором, приведшим к первоначальному заболачиванию территорий. Выявлены локальные максимумы содержания ПАУ в ПОВ.
Вероятно, они имеют пирогенное происхождение, так как в данных горизонтах также наблюдается высокое содержание макроскопических частиц угля.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ № 19-29-05111 мк.
1. Ваганов Е.А., Ведрова Э.Ф., Верховец С.В. [и др.] Леса и болота Сибири в глобальном цикле углерода // Сибирский экологический журнал. 2005. № 4. С. 631649.
2. Вомперский С.Э., Цыганова О.П., Ковалев А.Г. [и др.] Заболоченность территории России как фактор связывания атмосферного углерода // Глобальные изменения природной среды и климата. Москва : Издательство Московского филиала ГНИЦ ПГК при КубГУ, 1999. С. 124–145.
3. Инишева Л.И. Торфяные почвы: их генезис и классификация // Почвоведение. 2006. № 7. С. 781786.
4. Куприянов Д.А., Новенко Е.Ю. Реконструкция динамики лесных пожаров Центральной Мещеры в голоцене (по данным палеоантракологического анализа) // Сибирский экологический журнал. 2019. № 3. С. 253263.
5. Таскаев А.И. Атлас Республики Коми по климату и гидрологии. Москва : Дрофа, 1997. 115 c.
6. Barhoumi C., Peyron O., Joannin S. [et al.] Gradually increasing forest fire activity during the Holocene in the northern Ural region (Komi Republic, Russia) // The Holocene. 2019. V. 29, № 12. P. 1906–1920.
7. Doerr S.H., Santın C. Global trends in wildfire and its impacts: perceptions versus realities in a changing world // Philosophical Transactions of the Royal Society B. Biological Sciences. 2016. V. 371. Р. 1–10.
8. Knicker H. How does fire affect the nature and stability of soil organic nitrogen and carbon? A review //
Biogeochemistry. 2007. V. 85. №. 1. P. 91–118.
9. Loisel J., Gallego-Sala A.V., Amesbury M.J. [et al.] Expert assessment of future vulnerability of the global peatland carbon sink // Nature climate change. 2020. V. 11. P. 70–77.
10. Madany M.N., Swetnam T.W., West N.E. Comparison of two approaches for determining fire dates from tree scars // Forest Science. 1982. V. 28 (4). Р. 856–861.
11. Mooney S., Tinner W. The analysis of charcoal in peat and organic sediments // Mires and Peat. 2011. V. 7.
Р. 118.
12. Preston C.M., Schmidt M.W.I. Black (pyrogenic) carbon: a synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions // Biogeosciences. 2006. V. 3, №. 4. P. 397420.
13. Vergnoux А., Malleret L., Asia L. [et al.] Impact of forest fires on PAH level and distribution in soils //
Environmental Research. 2011. № 111. Р. 193–198.