Лесной пожар как стихийное бедствие наносит огромный урон природной среде. Происходят пожары часто и повсеместно, кратковременно и долгосрочно, на небольшой площади или охватывая все больше территорий, достигая сотен гектаров. Возникают они как по природным причинам (из-за ударов молний, самовозгорания торфяной крошки и т.д.), так и из-за деятельности человека (сельхозпалов, охоты, лесозаготовок, техногенных аварий, халатного обращения с огнем и т.д.). Ежегодно пожары уничтожают лесной покров на значительных территориях Якутии. Так, в период пожароопасных сезонов 2019 г. и 2020 г. в регионе было зарегистрировано 1865 и 2061 лесных пожаров на общей площади 4 млн га и 6,3 млн га соответственно [1].
Исследования влияния лесных пожаров в криолитозоне проводятся достаточно широко, причем большинство работ посвящено изучению реакции на пожары лесного биома и почв [2–4]. Первоначально повышенная огневая активность пожара на территории криолитозоны изменяет условия теплообмена на поверхности, прежде всего уменьшая поверхностное альбедо. Это приводит к заметному изменению теплового, водного и мерзлотного режимов грунтов [5]. Ряд работ по изучению влияния пожаров на температурные режимы многолетнемерзлых толщ и параметры мерзлотных ландшафтов выполнялся сотрудниками Института мерзлотоведения СО РАН [6, 7]. Однако в приведенных работах рассматривается влияние пожаров на первые метры почвогрунтов от поверхности, вследствие этого сложно оценить воздействие пожаров на изменение термического состояния криолитозоны и многолетнюю динамику мерзлотных ландшафтов.
Коллективом автором ведутся мониторинговые работы по изучению теплового состояния многолетнемерзлых пород в Нижнеколымском районе. Целью исследований является оценка влияния лесных пожаров на мерзлотные ландшафты и строение верхних горизонтов многолетнемерзлых пород.
Район исследований и методика работ
Рис. 1. Схема района работ, фрагмент топографической карты 1:10000; красными точками обозначены мониторинговые площадки; в числителе – номер скв., в знаменателе – абсолютная высотная отметка
Исследуемые постпирогенные участки расположены в низовьях р. Колыма, в окрестностях пос. Черский (Нижнеколымский район РС (Я)), на склоновых, межаласных и пойменных поверхностях с различными стадиями послепожарного развития растительности (рис. 1). Из них 2 участка находятся на межаласье – 13/1 заказник «Плейстоценовый парк» (возраст пожара 120 лет) и 18/3 оз. Тубдиспансерное (возраст пожара 40 лет), 2 площадки – на склоновом типе местности – 20/1 г. Родинка (пожар произошел в июне 2020 г.), 18/2 руч. Комарок (возраст пожара 80 лет) и 2 участка – на пойме 19/2 (пойма Колымы) – пожар 15-летней давности, 3-07 – контрольный участок, с ненарушенными условиями. Фотографии мониторинговых площадок приведены на рис. 3.
Согласно мерзлотно-ландшафтной типизации исследуемая территория входит в состав Северо-Анюйской низкогорной провинции, в соответствии с дифференциацией широтно-зональных параметров рассматриваемые участки располагаются на северотаежном и интразональном ландшафтах [7].
По результатам анализа данных космоснимков и рекогносцировочных работ были выбраны ключевые участки со свидетельствами лесного пожара (обугленные фрагменты древесины, заваленные стволы деревьев) и с современным лесным пожаром, произошедшим в июне 2020 г. На выделенных участках осуществлена геоботаническая съемка местности. Проведены буровые работы колонковым способом установкой УКБ 12-25 с последующей организацией мониторинговой площадки. Глубины скважин (скв.) варьируют от 9 до 21 м. По материалу буровых кернов изучено криолитологическое строение отложений. По керновому материалу определены весовая влажность (методом высушивания до постоянной массы [8]); методом взвешивания образцов мерзлых пород в нейтральной жидкости определены объемный вес и общее содержание органического вещества, полученное путем прокаливания сухих образцов при температуре 450 °С. Гранулометрический состав грунта определен ситовым и ареометрическим методами в Институте мерзлотоведения [9]. После бурения скважины обсаживались пластиковыми трубами, в которые в последующем были помещены температурные датчики и автоматические логгерные системы Onset Hobo U-12-008. Датчики размещены на разных глубинах. Для оценки динамики температур грунтов слоя сезонного оттаивания на нескольких площадках установлены 2-канальные логгеры Onset Hobo U-23-003. Измерения температур грунтов в скважинах производятся с интервалом 6 и 12 ч.
Результаты работ
Одним из основных факторов, обусловливающих изменения температурного режима многолетнемерзлых пород, является растительность (рис. 2). Важным моментом является то, что растительный покров как защитная оболочка часто подвергается разрушению пожарами, приводящими к полному или частичному уничтожению органогенного горизонта. В зависимости от интенсивности пожара и его давности растительные сукцессии на постпирогенных участках могут развиваться по-разному. Характеристика растительных ассоциаций на каждом мониторинговом участке кратко приведена в табл. 1.
В общих чертах растительность района исследований в верхнем ярусе представлена основном лиственницей Каяндера (Larix cajanderi) высотой до 12 м (в среднем 8 м), толщиной стволов от 0,01 м до 0,4 м, сомкнутость крон невысокая (0,2–0,4). Кустарниковый ярус представлен березкой (Betula exilis и B. divaricata), ольхой кустарниковой (Duschekia fruticosa) и несколькими видами ив (Salix glauca, S. pulchra, S. alaxensis, S. Krylovii и др.). Из кустарничков обычны: брусника (Vaccinium vitis-idaea), голубика (Vaccinium uliginosum), багульник стелющийся (Ledum decumbens) и два вида арктоуса: арктоус альпийский и а. красноплодный (Arctous alpina, A. erythrocarpa). Травянистая растительность в основном представлена вейником незамечаемым (Calamagrostis neglecta), арктополевицей широколистной (Arctagrostis latifolia), грушанкой мясо-красной (Pyrola incarnata), валерианой головчатой (Valeriana capitata) и ожикой спутанной (Luzula confusa), несколькими видами осок и иными видами разнотравья. В нижнем ярусе встречается хвощ камышковый (Equisetum scirpoides). Проективное покрытие мохово-лишайникового покрова достигает 90 %. Из мхов обычны: aулакомниум болотный и вздутый (Aulacomnium palustre и A. turgidum), птилидиум реснитчатый (Ptilidium ciliare), политрихум сжатый (Polytrichum strictum), гилокомиумом блестящий (Hylocomium splendens) и Bryum sp. Среди лишайников отмечаются: цетрария клобучковая и снежная (Cetraria cuculata и C. nivalis), пельтигера пупырчатая (Peltigera aptosa), дактилина арктическая (Dactylina arctica), кладония звездчатая (Cladonia stellaris) и оленья (C. rangiferina), стереокаулон альпийский (Stereocaulon alpinum), а также несколько видов Cladonia и прочие виды лишайников.
Криолитологическое описание и результаты лабораторных исследований кернового материала приведены в табл. 1 и на рис. 4. Криолитологические разрезы и диаграммы гранулометрического состава представлены на рис. 3.
Рис. 2. Общий вид растительных ассоциаций по площадкам: А – скв. 18/2 ручей Комарок; Б – скв. 18/3 оз. Тубдиспансерное; В – 13/1 Плейстоценовый парк; Г – 19/2 пойма Колымы; Д – 20/1 склон г. Родинка; Е – 3/07 пойма протоки Амболиха; желтым кругом обозначены скважины
Таблица 1
Характеристика мониторинговых площадок
|
Скв. |
Координаты |
Тип местности |
Растительные ассоциации |
Криолитологическое строение |
СТС, м (1) |
Влажность, % (2) |
Содержание органики, % (2) |
|
18/2 |
68 °45' 161 °27' |
Склоновый |
Послепожарный лиственничник кустарниково-кустарничково-моховый с участием лишайников и разнотравья |
Песчаные и глинистые алевриты, пронизанные сетью нитевидных корешков, по всему разрезу отмечаются неравномерно распределенные пятна оглеения, в верхней части разреза наблюдается ожелезнение. Для отложений характерны высокая льдистость, массивная, микро- тонко-, толстошлировая, атакситовая, базальная криотекстуры (толщина шлиров льда менее 0,1–20,0 мм). Ледяная жила в разрезе наблюдается в интервале 1,7–5,9 м |
1,0 |
|
|
|
20/1 |
68 °41' 161 °37' |
Склоновый |
Свежая гарь по лиственничному редколесью кустарниково-кустарничково-мохово-лишайниковому |
Песчаные алевриты, с включениями растительных остатков, с глубины 8 м встречаются дресва и щебень с размерами 5х7 см с алевритовым заполнителем. Криотекстура массивная, шлировая горизонтальной и наклонной ориентации. Нижняя часть разреза характеризуется массивной криотекстурой с единичными включениями шлиров льда |
0,8 |
|
– |
|
18/3 |
68 °45' 161 °23' |
Межаласный |
Лиственничник кустарниково-кустарничково-моховый с участием лишайников и разнотравья |
Минеральная часть в разрезе наблюдается до глубины 1,6 м и представлена алевритом серого цвета. Для отложений характерны малая льдистость, массивная и тонкошлировая криотекстуры. С глубины 1,6 м до забоя наблюдается повторно-жильный лед |
1,0 |
|
|
|
13/1 |
68 °30' 161 °29' |
Послепожарный лиственничник с сильно разреженным кустарниково-кустарничково- лишайниково-моховый покровом с участием разнотравья |
Алевриты серого, серовато-коричневого цвета, пронизанные сетью нитевидных корешков и детритов, отмечаются пятна ожелезнения в слое сезонного оттаивания и пятна оглеения в мерзлой толще в интервале 3,5–4,5 м. Ледяная жила в разрезе вскрыта в интервалах 1,10–2,2 м и 7,70–14,5 м |
1,0 |
|
|
|
|
19/2 |
68 °46' 161 °14' |
Низкотеррасовый |
Горельник лиственничный. Кустарниково-кустарничково-разнотравная стадия восстановления растительного покрова |
Алевриты серого, темно-серого цвета с прослоями торфа и мелкозернистого песка. С глубиной увеличивается содержание органики в виде корешков и фрагментов растительных остатков. Криотекстура по всему разрезу весьма разнообразна, в верхней части атакситовая, ниже сетчатая, волнистая, к забою горизонтально-шлировая |
0,5 |
|
|
|
3/07 |
68 °38' 161 °23' |
Кустарниково-кустарничковая растительность с участием злаков и разнотравья |
Разрез представлен до глубины 11 м алевритом серого цвета с прослоями песка мелкозернистого, к забою сменяется серым песком среднезернистым и грубозернистым с включениями окатанной гальки. На глубине 23,0–23,5 м отмечается слой гальки, хорошо окатанной, размеры 1х2 см. Криотекстура в алевритах шлировая, сетчатая, в песках массивная |
0,8 |
– |
– |
Примечание. 1) СТС – слой сезонного оттаивания, приведены однократные измерения мощности СТС (сентябрь 2020 г.); 2) в числителе – предел изменений физических параметров, в знаменателе – осредненное значение параметров; в скобках – количество измерений физических параметров, по которым проведено осреднение.
Рис. 3. Криолитологические разрезы и гранулометрический состав отложений на мониторинговых площадках, условные обозначения: 1 – почвенно-растительный слой; 2 – алевриты; 3 – песок; 4 – дресва; 5 – щебень; 6 – галька; 7 – торф; 8 – нитевидные корешки; 9 – растительные остатки; 10 – древесный детрит; 11 – ожелезнение/оглеение; 12 – массивная криотекстура; 13 – шлировая криотекстура; 14 – атакситовая криотекстура; 15 – лед; 16 – повторно-жильный лед; 17 – граница ММП
Рис. 4. Показатели весовой влажности, объемного веса и потери органического вещества при прокаливании в отложениях мониторинговых площадок
Температура мерзлых пород. По данным метеостанции Черский, среднегодовая температура воздуха в период с 2013 по 2020 гг. изменялась в пределах от –7,4 °С до –9,9 °С, среднелетняя (июнь – август) – от 10,6 °С до 12,4 °С, среднезимняя (декабрь – февраль) изменялась в диапазоне от –27,6 °С до –30,6 °С. Годовая амплитуда среднемесячных температур менялась в пределах 43–51 °С. Переход к отрицательным среднесуточным температурам происходит в конце сентября, а к положительным – в середине мая. Количество атмосферных осадков за наблюдаемый период составило от 211 до 406 мм. Из них на долю снежного покрова приходится от 95 до 206 мм. Снежный покров держится в среднем 225 дней, при этом мощность в разные годы варьирует в пределах 50–60 см, а в отдельные многоснежные зимы может достигать 93 см (в 2018 г.). На мониторинговых площадках мощность слоя сезонного оттаивания изменяется в диапазоне от 0,4 до 1,0 м. В 2017 и 2018 гг. отмечаются повышение среднегодовой температуры воздуха –7,6 °С и –7,4 °С соответственно и увеличение мощности снежного покрова до 93 см.
Скв. 13/1 выполнена на локальном водоразделе, останце едомной поверхности в заказнике Плейстоценовый парк. Мониторинг температур на этой площадке ведется с 2013 г., датчики размещены на глубинах 0,5; 5; 10; 14 м. Среднегодовые температуры в период с 2013 по 2020 гг. на глубине 14 м изменялись в диапазоне от –4,7 °С до –5,9 °С, на глубине 10 м – от –4,2 °С до –5,9 °С, на 5 м – от –3,7 °С до –5,7 °С. Как видно из табл. 3 и рис. 5, в 2017–2018 гг. на глубине 5 м существенно сократилась амплитуда колебания температуры, в эти годы отмечается наиболее высокая среднегодовая температура грунтов: –3,7 °С и –4,0 °С соответственно.
В скв. 3/07, расположенной на пойме протоки Амболиха, в период с 2013 по 2020 гг. на глубине 21 м среднегодовая температура изменялась в диапазоне от –5,2 °С до –5,9 °С, на глубине 14 м – от –5,4 °С до –6,0 °С. Так же как и на площадке 13/1, в 2017–2018 гг. отмечаются резкое повышение среднегодовых температур грунтов и сокращение амплитуды колебаний на глубине 4 м (рис. 5, табл. 2). Вероятно, столь существенное повышение температур пород связано с многоснежностью зим и повышением среднегодовой температуры воздуха в данные периоды.
Рис. 5. Сопоставление метеоданных ст. Черский и температур мерзлых пород в скважинах 13/1 и 3/07 за период 2013–2020 гг.
Таблица 2
Средняя температура грунтов (t ср) и амплитуда колебаний (А) на разных глубинах, на мониторинговых площадках, °С
|
Период наблюдений 20.09. – 19.09 |
параметр |
3/07 пойма протоки Амболиха |
13/1 Плейстоценовый парк межаласье |
18/3 оз. Тубдиспансерное межаласье |
18/2 руч. Комарок склон |
|||||||||||||
|
Глубина, м |
||||||||||||||||||
|
4 |
14 |
21 |
0,5 |
5 |
10 |
14 |
0 |
1,2 |
3 |
5 |
10 |
0 |
1,2 |
3 |
5 |
10 |
||
|
2013–2014 |
t ср |
–6,3 |
–6,0 |
–5,7 |
–2,2 |
–5,7 |
–5,9 |
–5,9 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
А |
–5,7 |
–0,3 |
–0,1 |
–34,3 |
–3,4 |
–0,8 |
–0,3 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
2014–2015 |
t ср |
–5,4 |
–6,0 |
–5,8 |
–9,7 |
–5,4 |
–5,7 |
–5,9 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
А |
–5,1 |
–0,4 |
–0,1 |
–69,7 |
–3,5 |
–0,7 |
–0,5 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
2015–2016 |
t ср |
–5,1 |
–5,8 |
–5,7 |
–2,5 |
–5,3 |
–5,7 |
–5,7 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
А |
–4,7 |
–0,3 |
–0,1 |
–77,3 |
–3,6 |
–0,6 |
–0,9 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
2016–2017 |
t ср |
–3,4 |
–5,6 |
–5,6 |
–7,1 |
–4,0 |
–4,9 |
–5,3 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
А |
–1,8 |
–0,5 |
–0,1 |
–67,0 |
–1,9 |
–0,9 |
–0,4 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
2017–2018 |
t ср |
–2,9 |
–5,1 |
–5,5 |
–12,7 |
–3,7 |
–4,5 |
–5,1 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
А |
–2,0 |
–0,4 |
–0,2 |
–74,8 |
–2,0 |
–0,7 |
–0,6 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
2018–2019 |
t ср |
–5,9 |
–4,9 |
–5,2 |
–13,6 |
–4,4 |
–4,2 |
–4,7 |
–2,7 |
–3,0 |
–2,6 |
–2,4 |
–2,0 |
–4,3 |
–5,6 |
–5,1 |
–4,7 |
–4,3 |
|
А |
–7,8 |
–0,5 |
–0,2 |
–73,1 |
–4,1 |
–1,0 |
–0,6 |
–40,1 |
–7,7 |
–4,6 |
–2,4 |
–0,5 |
–44,8 |
–12,1 |
–7,3 |
–4,2 |
–1,7 |
|
|
2019–2020 |
t ср |
–6,0 |
–5,4 |
–5,2 |
–8,1 |
–4,5 |
–4,6 |
–4,8 |
–2,5 |
–3,1 |
–2,8 |
–2,7 |
–2,3 |
–4,0 |
–4,7 |
–4,7 |
–4,6 |
–4,4 |
|
А |
–6,5 |
–0,4 |
–0,1 |
–75,7 |
–3,2 |
–0,6 |
–0,4 |
–38,6 |
–7,4 |
–4,4 |
–2,4 |
–0,5 |
–14,0 |
–6,5 |
–6,5 |
–3,6 |
–1,4 |
|
Результаты температурных наблюдений мерзлых пород на межаласье, склоне и пойме (скв. 18/2, 18/3 и 19/2) и их сопоставление с данными метеостанции Черский представлены на рис. 6.
Скважина 18/2 расположена на пологом склоне юго-восточной экспозиции. Среднегодовая температура грунтов на глубине 10 м в 2018–2019 гг. составила –4,3 °С, а в 2019–2020 гг. –4,4 °С, амплитуда температур составила –1,7 °С и –1,4 °С соответственно. На глубине 5 м среднегодовая температура составила в первый год наблюдений –4,7 °С, во второй –4,6 °С, на глубине 3 м –5,1 °С и –4,7 °С, на глубине 1,2 м –5,6 °С и –4,7 °С.
В скв. 18/3 на межаласье с возрастом пожара 30 лет зафиксированы самые высокие показатели среднегодовой температуры грунтов на исследуемой территории. На глубине 10 м в 2018–2019 гг. температура составила –2,0 °С, в 2019–2020 гг. –2,3 °С, амплитуда 0,5 °С; на глубине 5 м –2,4 °С (2018–2019 гг.) и –2,7 °С (2019–2020 гг.), на глубине 3 м –2,6 °С и –2,8 °С соответственно, на глубине 1,2 м –3,0 °С и –3,1 °С соответственно.
На площадке 19/2 с пожаром 15-летней давности, расположенной на пойме р. Колымы, режимные наблюдения за температурой пород ведутся с 2019 г. Среднегодовая температура отложений на глубине 1 м в конце летнего сезона составляла –1,0 °С и в середине сентября начала снижаться до конца февраля, достигнув –12,5 °С. Температура на глубине 9 м в течение года имела меньшую амплитуду и составила в среднем –5,0 °С. Такие низкие температуры, вероятно, объясняются особенностью микрорельефа в виде кочкарника (высотой 0,5 м и более), в котором в начале лета все еще задерживается снежный покров, а после кочкарник затеняет поверхность, защищая от солнечной радиации.
На скв. 20/1 «г. Родинка» было выполнено однократное измерение температуры пород. Мощность слоя сезонного оттаивания на момент бурения составляла 0,8 м. Температура пород на глубине 3 м –1,8 °С, на глубине 5 м –2,4 °С, на глубине 7 м –2,6 °С, и на забое (9 м) зафиксирована температура –2,5 °С. Мониторинговые работы на данной площадке будут продолжаться.
Рис. 6. Сопоставление метеоданных ст. Черский и температуры мерзлых пород по скважинам 18/2, 18/3 и 19/2; *– датчик на глубине 9 м для скв. 19/2, датчик на глубине 10 м для скв. 18/2 и 18/3
Растительный покров играет существенную роль в процессе тепло-, влагообмена между поверхностью и атмосферой и в значительной степени определяет термический режим пород [10, 11]. В случае лесного пожара в зависимости от типа огневой активности (почвенный, низовой переходящий в верховой) и его интенсивности изменяются тепловой и водный режимы грунтов. Также растительные сукцессии на постпирогенных участках будут развиваться по-разному. Известно, что в первые годы на постпирогенных участках повышается температура воздуха и почвы, увеличивается амплитуда их колебаний, нарушается влажностной режим почв и могут активизироваться негативные криогенные процессы. Вследствие этого на гарях создаются условия для интенсивного прогрева почв за счет поглощения солнечной радиации, ее затемненной от углей, золы и сажи поверхностью и сокращается затеняющая способность крон деревьев. Отмечается, что лесные пожары на рассматриваемых постпирогенных участках, подстилаемых ледовым комплексом, не инициировали процесс термокарста. В ходе работ на ключевых участках, несмотря на наличие современных морозобойных трещин на поверхности, термопросадок по полигональной сетке ледового комплекса обнаружено не было. Вероятно, некогда на местах пожарищ растительный покров относительно быстро восстанавливался, формируя более плотный лес, а короткий летний сезон сокращает время проникновения солнечной радиации.
Заключение
На основе выполненных работ установлено, что среднегодовая температура многолетнемерзлых пород на рассматриваемой территории севера Колымской низменности изменяется в широких пределах: от –2,0 °С на межаласье до –6,0 °С на пойме.
По результатам исследований выявлено, что самые низкие температуры пород подошвы слоя годовых теплооборотов в диапазоне от –5,9 °С до –6,0 °С зафиксированы на 2 участках: на пойме протоки Амболиха с ненарушенными условиями и на останце ледового комплекса высотой 6 м с возрастом пожара 120 лет. На склоне южной экспозиции, где пожар произошел 80 лет назад, температуры установились на отметке –4,1 °С. Самые высокие значения температур отмечаются на участке с относительно недавним (30 лет назад) пожаром на межаласном типе местности: –2,0 °С.
Результаты проведенных наблюдений за температурами грунтов показали, что процесс восстановления на нарушенных ключевых участках идет достаточно интенсивно, наблюдается стабилизация мерзлотных условий с каждой стадией сукцессионного развития растительности. Во время полевых работ на свежей гари (площадка 20/1) было отмечено, что восстановление растительного покрова начинается уже через 2 месяца после пожара в виде свежих травяных пучков в нижнем ярусе. Стабилизация температурного режима пород в некотором отношении зависит от степени зарастания гари. В ходе сукцессионного времени через 15–25 лет после пожара происходит стабилизация нарушенных условий.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-05-00990 А.
Библиографическая ссылка
Андреева В.В., Максимов Г.Т., Спектор В.В., Холодов А.Л., Давыдов С.П. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД НА ПОСТПИРОГЕННЫХ УЧАСТКАХ СЕВЕРА КОЛЫМСКОЙ НИЗМЕННОСТИ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 8. – С. 29-40;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37667 (дата обращения: 27.04.2024).