Статья: Миграция химических элементов при лесном низовом пожаре (Алтайский край)

Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН

Миграция химических элементов при лесном низовом пожаре (Алтайский край)

И.С. Журкова, Б.Л. Щербов

Аннотация

В центральной части Алтайского края, где в 1974 г. проведены сосновые посадки на черноземной почве спустя 12 лет после прекращения открытых ядерных взрывов (Семипалатинский полигон), изучено поведение химических элементов и радионуклидов при лесном низовом пожаре, произошедшем в 2011 г. Исследование основано на сравнении их содержания в почвенном покрове фоновых и выгоревших площадей. Результаты сравнения выявили две группы элементов, различающихся характером поведения при пожаре: мигранты (Б^, СД, РЬ, Мп, 2и и 137Cs) и пассивно накапливающиеся в пожарище (А1, Бе, Ба, Сг, V, Mg, Ва). Глубина отбора почвенных образцов составила 50 мм. Определение содержаний элементов в пробах проведено атомно-абсорбционным методом на спектрометре 8оо1аг М6. Показатели рН, зольности и плотности почв после пожара повысились. Рассмотрены геохимические свойства изучаемых элементов и зависимость миграции от их температур кипения. Выведено правило: чем ниже температура кипения элемента, тем выше вероятность его миграции в составе дымового шлейфа; и чем выше температура кипения элемента, тем выше вероятность пассивного его накопления в выгоревшей площади.

Ключевые слова: лесной пожар, постпирогенная площадь, почва, тяжелые металлы, миграция.

The Behavior of Chemical Elements in the Forest Grass-Roots Fires (Altai Territory)

S. Zhurkova, B. L. Shcherbov

V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS

Abstract. Studying the behavior of chemical elements at the ground fire in 2011 near the village of Bayevo (Altai Territory) allowed them to identify two groups, the opposite of their reaction to the high temperatures of a forest fire: the first group consists of the elements involved in atmospheric emissions (Hg, Cd, Mn, Zn and 137Cs), the second - in the area of accumulating conflagration (of Fe, Al, K, Na, Co, Ni, Pb, Cu, Ba, Sr, Mg, V). Behavior of elements in a fire conducted by comparing their average content in the “background space / conflagration”. Sampling conducted steel ring (50 mm diameter 84 mm). Analytical studies were conducted gamma spectrometry and atomic absorption methods on the device SoolarM6 with Zeeman and deuterium background corrector. After the fire, the density and pH of the soil increased. Comparison of the boiling point of elements with indices of atmospheric removal / accumulation in the conflagration gave reason to bring one rule: the lower the boiling point of the element, the higher the probability of its migration in plume composition, and conversely, the higher the boiling point of the element, the more likely it passive accumulation in the area burned. However, this general rule is complicated biogeochemical properties of the elements.

Keywords: forest fire, postpyrogenic area, soil, heavy metals, migration.

Введение

Экспертные данные ООН свидетельствуют о том, что ежегодно пожарами на Земле охватывается площадь от 550 до 650 млн га [4], причем за последние 250 лет идет постоянный рост частоты их экстремальных проявлений. В Сибири, где сосредоточено около 80 % лесов (552 млн га) всего лесного массива России, возникает около 30 тыс. пожаров в год [5]. Среди лесных пирологических выбросов значительную роль играют химические элементы, в том числе тяжелые металлы и искусственные радионуклиды.

Как показали многолетние исследования нашей лаборатории [9; 11], горение лесов сопровождается, с одной стороны, вовлечением в воздушную эмиссию группы тяжелых металлов и искусственных радионуклидов, с другой стороны, пассивным накоплением в пожарищах ряда металлов. На поведение химических элементов влияют: их геохимические характеристики, особенности распределения в лесных горючих материалах (ЛГМ), тип пожара, погодные условия и другие факторы [11; 12].

Размеры пожарищ нередко достигают десятков тысяч га. Результатом лесных пожаров является изменение геохимических характеристик почв не только на выгоревших площадях, но и на прилегающих к ним территориях. Однако в некоторых случаях атмосферный перенос отдельных элементов может составлять тысячи километров [7].

Изменение геохимического фона выгоревших почв не может не сказаться на растительном покрове. Поэтому изучение химического состава растений на пожарище имеет большое значение с экологической точки зрения, поскольку среди них могут быть употребляемые в пищу грибы, ягоды и лекарственные виды трав.

Отдельные звенья трофических цепей, в том числе растения и почвы, активно участвуют в стабилизации экосистем, выступая как в роли геохимических барьеров, так и в качестве природных депо химических элементов [3]. При этом, например, Сё, РЬ, И§ не входят в число необходимых элементов для растений, однако активно, но часто с различной интенсивностью поглощаются их корневой и надземной системами. Несмотря на активное влияние человека на природу, химический состав растений в основном определяется средой их обитания [2].

Цель работы - оценить влияние низового пожара на перераспределение элементов. Для этого изучено поведение при лесном низовом пожаре тяжелых металлов (РЬ, Сё, Мп, 2п, Со, Си, Аб, И§, 8г) на фоне породообразующих и других элементов (А1, Бе, №, К, Са, V, Ва) на основе сравнения их содержания в компонентах биогеоценоза на фоновых и горелых площадях.

Объекты и методы

Объектом исследования послужило пожарище и фоновые площади в сосновой лесополосе, посадки 1974 г., проведенные на черноземе (вблизи пос. Баево Алтайского края) после прекращения открытых ядерных взрывов на Семипалатинском полигоне (1962 г.). Рельеф местности представляет собой слабоволнистую равнину приобской лесостепи, климат континентальный, зимой средняя температура -18,7 °С, летом +19,4 °С. Годовое количество осадков 330 мм, глубина промерзания почвы 50-80 см. Низовой пожар с небольшими участками верхового произошел летом 2011 г., охватив основную часть посадок - 4 из 5 га леса, и изучен в 2013 г. Поэтому в задачи исследований входило решение следующих вопросов. Во-первых, выяснение возможности поступления искусственных радионуклидов в ландшафты юга Западной Сибири после прекращения открытых испытаний на Семипалатинском полигоне. Во-вторых, изучение поведения различных элементов при небольших по размерам лесных пожарах. Из этого положения вытекает третий вопрос: как влияет пожар на изменение геохимических характеристик почвенно-растительного покрова пожарища?

Для решения этих задач выполнен отбор проб на пожарище и фоновой, не затронутой пожаром территории посадок (рис. 1).

Пробоотбор проведен стальным кольцом (высота 50 мм, диаметр 84 мм), обычно применяемым при экогеохимических исследованиях [11], в 20 точках, для каждой поверхности по 10. Координаты отбора указаны в табл. 1.

В пробу попадали все наземные лесные горючие материалы и верхний слой чернозема. На пожарище пробы представляли собой продукты горения лесной подстилки или ее остатков, а также верхний слой почв.

Рис. 1. Схема отбора проб: 1 - фоновая площадь, 2 - горелая площадь

Таблица 1 Координаты точек отбора проб

В свежих и горелых почвах определены плотность, величина рН водных суспензий и зольность. Плотность рассчитана, исходя из объема кольца и веса пробы, полученного при гамма-спектрометрическом анализе, величина рН - по опубликованным методикам [8], зольность - весовым методом [1]. Полученные результаты приведены в табл. 1.

Все почвенные пробы проанализированы гамма-спектрометрическим методом на естественные радионуклиды - U / Ra, Th, K и искусственный 137Cs (аналитики А. С. Степин и Н. И. Чернакова). Затем во всех почвенных и растительных образцах атомно-абсорбционным методом определены породообразующие (Fe, K, Na, Al, Ca, Mg) и микроэлементы (Ni, Co, Cd, Hg, Mn, Sr, Pb, Zn, Cu, Ba, Li, As). Анализ проб выполнен на приборе Soolar M6 (фирмы Thermo Electron, Англия) с зеемановским и дейтериевым корректором фона. Аналитические работы выполнены в ЦКП многоэлементных и изотопных исследований СО РАН, по аттестованным методикам, включающим плазменную и электротермическую атомизации (анализ проведен аналитиком Л. Н. Букреевой и автором И. С. Журковой). Диапазон определяемых элементов - от 0,00001 до 20 %. Пределы обнаружения в зависимости от исследуемого материала приведены в табл. 2. Относительная погрешность составляет 5-30 %. Точность анализа подтверждена выполнением государственных стандартных образцов почв и растений: ЗУА-1, ЗУК-1, ТР-1, ЛБ-1.

Таблица 2 Пределы обнаружения элементов в почвах и растениях атомно-абсорбционным методом

Количественное определение выноса или накопления в пожарище различных элементов (%) проведено простым отношением их среднего содержания на пожарище к значениям по фоновой площади.

Результаты и обсуждение

Почвенные материалы, отобранные для сравнения геохимических показателей горелых и фоновых площадей, представляют собой лесные подстилки с некоторой частью черноземных почв и иногда почвообразующих суглинков. Эти образцы содержат в себе как растительные, так и минеральные компоненты, которые, естественно, по-разному реагируют на воздействие высоких температур пожара: минеральная часть при тепловом градиенте низового пожара (400-600 °С) не может претерпеть какого-либо кардинального изменения, но растительные компоненты превращаются в золу и сажу. А это, несомненно, должно повлечь за собой изменение физико-химических показателей, что и подтверждают данные табл. 3.

Таблица 3 Показатели величины рН, плотности (р) и зольности в фоновых и горелых почвах

Примечание. х - среднее значение.

Зольность увеличивается с повышением плотности почвы, рН фоновой площади не зависит от этого показателя и меняется в диапазоне 5,30-5,94. При этом рН почв фоновых площадей ниже рН горелых, плотность и зольность также имеют более низкие показатели, причиной чего служит щелочная реакция зольного материала.

С изменением физико-химических показателей почвенного покрова пожарища связано и различное поведение отдельных элементов: одни из них вовлекаются в атмосферную эмиссию, другие накапливаются в пожарищах. В первую группу вошли И§, Сф Мп, 2п и 137С8, вторая группа представлена большей частью элементов, к которым относятся Бе, А1, К, №, Со, N1, РЬ, Си, Ва, 8г, М§, V (табл. 4).

Попытка связать различное поведение химических элементов при пожаре с разными значениями их атомных радиусов не выявила никакой закономерности: в ряду увеличения этого показателя у А1 (1,43 * 10-10), Сф Н (1,60-10-10), 8г, С8-137 (2,68* 10-10) наблюдается как вынос элементов (Сф И§), так и накопление (А1, 8г, С8). Поскольку речь идет о резкой смене температуры от 10-20 до 400-600 °С, в которой оказываются элементы, был рассмотрен другой физический, наиболее вероятный, фактор - температура их кипения, а значит, и испарения (Ткип). Однако прежде, чем обратиться к рассмотрению влияния температуры, необходимо понять и геохимическую природу каждого из элементов, поскольку их распределение и подвижность зависят как от внешних факторов, так и от природы самих элементов. По свойствам железо, никель и кобальт близки между собой, вследствие близости атомных радиусов они, по-видимому, образуют в породообразующих минералах широкий ряд смешанных кристаллов [6]. В почве железо присутствует главным образом в виде оксидов и гидроксидов, находящихся в форме небольших частиц или связанных с поверхностью некоторых минералов. Чем ниже величина рН, тем выше содержание железа, при щелочных значениях рН содержания его минимальны. Для почвенного железа характерно сильное сродство к подвижным органическим комплексам и хелатам.

Примечание. к - коэффициент выноса/накопления, в %; размерность элементов в мг/кг для всех, кроме и, 137С8, 1Ъ (Бк/кг).

Содержание элементов на пожарище и фоновой площади