Влияние пожаров на состав донных отложений рек и озёр урбанизированных территорий Среднеамурской низменности

Ландшафтные пожары, являющиеся важным фактором функционирования и трансформации геосистем (наземные геосистемы, атмосферный воздух, растительный и животный мир), оказывают существенное влияние и на водные экосистемы. Настоящая работа посвящена оценке влияния пожаров на водные экосистемы урбанизированных территорий Среднеамурской низменности (в пределах Хабаровского края). Задачами работы являются оценка горимости и пирогенной трансформации исследуемой территории на основе анализа и дешифрирования многолетних рядов данных ДЗЗ; анализ особенностей состава и закономерностей постпирогенного изменения донных отложений ключевого участка (бассейн р. Симми, малый приток р. Амур). Для определения среднемноголетних характеристик природных пожаров и тенденций их изменения были использованы безоблачные данные свободного доступа со спутников Landsat 5, 7 и 8 за период с 1984 по 2020 гг. Обработка данных ДЗЗ проводилась методом экспертного дешифрирования в программе ArcGIS 10.5.

На основе многолетних рядов данных ДЗЗ были выделены площади ландшафтных пожаров за период с 1984 по 2020 год. Анализ полученных данных свидетельствует о значительных масштабах и высокой повторяемости пирогенного воздействия на геосистемы территории. Результаты работы показывают значительное занижение площадей луговых пожаров по данным официальной статистики. По среднемноголетним данным ДЗЗ в пределах Среднеамурской низменности пожарами затронуто от 27 до 35 % нелесных экосистем, а в отдельные годы площади пожаров превышают 50 % территории, что сопоставимо с площадями лесных пожаров в Хабаровском крае в целом. При этом по официальным данным на нелесные пожары в крае приходится лишь 8,9 %. Недооценка влияния луговых пожаров связана, по нашему мнению, в первую очередь с несовершенством методов автоматического картирования гарей, что приводит к занижению их площадей.

В пределах ключевой территории были изучены донные отложения р. Симми. Отбор проб (15 образцов, по стандартным методикам) был проведен в мае 2018 года (на третий год после осеннего пожара 2016 г.) и в июле 2019 г. после весеннего (март–апрель) пожара. Основными методами исследования были гранулометрический и валовой химический анализы, а также сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Гранулометрический состав определяли методами седиментации по Качинскому и лазерной дифракции на анализаторе размера частиц (SALD-2300, Shimadzu, Japan). Валовой состав определяли рентгенфлуоресцентным методом (Pioneer S4, Bruker AXS, Germany). СЭМ-анализ проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA 3 LMH (TESCAN, Czech Republic). Основные методы исследования были дополнены стандартными физико-химическими методами анализа.

Полученные нами данные для ключевого участка свидетельствуют, что прохождение луговых пожаров на водосборной территории влечет за собой изменение химического состава отложений. В первые месяцыпосле пожара реакцией речной системы является секвестирование растворимых соединений P, которые образуются при «огневой» минерализации. Это происходит в результате связывания фосфат-ионов в вивианит, растворимость которого чрезвычайно мала в отсутствие сульфатов и сульфат-редуцирующих бактерий. Вивианит осаждается на поверхности глинисто-железистых микроагрегатов взвешенной фракции наносов, которая со временем (2–3 года) выносится потоком, что приводит к снижению масштабов воздействия пожара на локальных участках.

1. Canadell J.G., Pataki D.E., Pitelka L.F. (Eds.). Terrestrial ecosystems in a changing world. – Springer Science & Business Media, 2007.

2. Zhou Y., Xing X., Lang J., Chen D., Cheng S., Wei L., Wei X., Liu C. A comprehensive biomass burning emission inventory with high spatial and temporal resolution in China // Atmos. Chem. Phys. – 2017. – vol. 17. – P. 2839–2864. doi:10.5194/acp-17-2839-2017.

3. Huang X., Li M., Li J., Song Y. A high-resolution emission inventory of crop burning in fields in China based on MODIS thermal anomalies/fire products // Atmos. Environ. – 2012. – 50. – P. 9–15. doi:10.1016/j.atmosenv.2012.01.017.

4. Burling I.R., Yokelson R.J., Akagi S.K., Urbanski S., Wold C., Griffith D.W.T., Johnson T.J., Reardon J., Weise D.R. Airborne and ground-based measurements of the trace gases and particles emitted by prescribed fires in the United States // Atmos. Chem. Phys. – 2011. – vol. 11. – P. 12197–12216.

5. Sun L., Hu H., Guo Q., L X. Estimating carbon emissions from forest fires during 1980 to 1999 in Daxing’an Mountain, China // Afr. J. Biotech. – 2011. – vol. 10, iss. 41. – P. 8046–8053.

6. Vivchar A.V., Moiseenko K.B., Pankratova N.V. Estimates of carbon monoxide emissions from wildfires in Northern Eurasia for air quality assessment and climate modeling // Izv. Atmos. Ocean. Phys. – 2010. – vol. 46, iss. 3. – P. 281–293.

7. Kukavskaya E.A., Soja A.J., Petkov A.P., Ponomarev E.I., Ivanova G.A., Conard S.G., Fire emissions estimates in Siberia: Evaluation of uncertainties in area burned, land cover, and fuel consumption // Can. J. For. Res. – 2012. – vol. 43, iss. 5. – P. 493–506. doi:10.1139/cjfr-2012-0367.

8. Eliseev A.V., Mokhov I.I., Chernokulsky A.V. Influence of ground and peat fires on CO2 emissions into the atmosphere // Dokl. Earth Sc. – 2014. – vol. 459. – P. 1565–1569. doi:10.1134/S1028334X14120034.

9. Ribeiro K., Pacheco F.S., Ferreira J.W., de Sousa-Neto E.R., Hastie A., Krieger F.G.C., Alvalá P.C., Forti M.C., Ometto J.P. Tropical peatlands and their contribution to the global carbon cycle and climate change // Glob. Chang. Biol. – 2021. – vol. 27, iss. 3. – P. 489–505. doi:10.1111/gcb.15408.

10. Korontzi S., McCarty J., Justice C. Monitoring agricultural burning in the Mississippi River valley region from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) // J. Air Waste Manag. Assoc. – 2008. – vol. 58, iss. 9. – P. 1235–1239. doi:10.3155/1047-3289.58.9.1235.

11. McCarty J., Krylov A., Prishchepov A., Banach D., Tyukavina A., Potapov P., Turubanova S. Agricultural fires in European Russia, Belarus, and Lithuania and their impact on air quality, 2002–2012 // Gutman, G., Radeloff, V. (Eds.), Land-Cover and Land-Use Changes in Eastern Europe after the Collapse of the Soviet Union in 1991. – Springer International Publishing, Switzerland, 2017. – P. 193–221. doi:10.1007/978-3-319-426389_9.

12. Gutman G., Radeloff V. Land-Cover and Land-Use Changes in Eastern Europe after the Collapse of the Soviet Union in 1991 // Springer, 2017. doi:10.1007/978-3-319-42638-9.

13. Li J., Li Y., Bo Y., Xie S., 2016. High-resolution historical emission inventories of crop residue burning in fields in China for the period 1990–2013 // Atmos. Environ. – 2016. – vol. 138. doi:10.1016/j.atmosenv.2016.05.002.

14. Барталев С.А. Оценка площади пожаров на основе комплексирования спутниковых данных различного пространственного разрешения MODIS и Landsat-TM/ETM+ / С.А. Барталев, В.А. Егоров, В.Ю. Ефремов, Е.А. Лупян, Ф.В. Стыценко, Е.В. Флитман // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2012. – том 9, № 2. – С. 9-26.

15. Romanenkov V., Rukhovich D., Koroleva P., McCarty J. Estimating black carbon emissions from agricultural burning, in: Mueller, L., Saparov, A., Lischeid, G. (Eds.). Novel measurement and assessment tools for monitoring and management of land and water resources in agricultural landscapes of Central Asia // Environmental Science and Engineering, 2014. doi:10.1007/978-3-319-01017-5_20.

16. Tan Z., Tieszen L.L., Zhu Z., Liu S., Howard S.M. An estimate of carbon emissions from 2004 wildfires across Alaskan Yukon River Basin // Carbon Balance Manag. – 2007. – vol. 2, iss. 12. doi:10.1186/1750-06802-12.

17. Kusangaya S., Sithole V.B., 2015. Remote sensing-based fire frequency mapping in a savannah rangeland // S. Afr. J. Geomat. – 2015. – vol. 4, iss. 1.

18. Ostroukhov A.V., Klimina E.M. Survey of Middle Amur lowland terrain transformations based on remote sensing data. Proceedings of joint symposium on tropical peatland restoration 2018 // Responsible Management of Tropical Peatland following up to The Jakarta Declaration Jakarta, February 2018. – IKAPI, Bogor, Indonesia, 2018. – P. 123–129.

19. Информационная система дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства. Блок мониторинга пожарной опасности // (режим доступа: https://nffc.aviales.ru/main_pages/index.shtml) дата обращения: 09.02.2021.

20. Minshall G.W., Robinson C.T., Royer T.V. Stream Ecosystem Responses to the 1988 Wildfires // Yellowstone Science. Simmer. – 1998. – Р. 15-22.

21. Украинцев А.В., Воздействие лесных пожаров на состояние рек Заиграевского района Республики Бурятии / А.В. Украинцев, А.М. Плюснин, М.К. Чернявский // Водные ресурсы. – 2019. – том 46, № 1. – С. 14-23. doi:10.31857/S0321-059646114-23.

22. Bayley S.E., Schindler D.W., Beaty K.G. Effects of multiple fires on nutrient yields from streams draining boreal forest and fen watersheds: nitrogen and phosphorus // Canadian J. of Fisheries and Aquatic Sciences. – 1992. – vol. 29. – Р. 584-596.

23. Fu Y., Li R., Wang X., Bergeron Y., Valeria O., Chavardès R.D., Wang Y., Hu J. Fire detection and fire radiative power in forests and low-biomass lands in Northeast Asia: MODIS versus VIIRS Fire Products // Remote Sens. –2020. – vol. 12 (18), iss. 2870. doi:10.3390/rs12182870.

24. Salvoldi M., Siaki G., Sprintsin M., Karnieli A. Burned area mapping using multi-temporal Sentinel-2 data by applying the relative differenced aerosol-free vegetation index (RdAFRI) // Remote Sens. – 2020. – vol. 12, 17, iss. 2753. doi:10.3390/rs12172753.

25. Long T., Zhang Z., He G., Jiao W., Tang C., Wu B., Zhang X., Wang G., Yin R. 30 m Resolution Global Annual Burned Area Mapping Based on Landsat Images and Google Earth Engine // Remote Sens. – 2019. – vol. 11, iss. 489.

26. Bartalev S.A., Egorov V.A., Loupian E.A., Uvarov I. Multiyear circumpolar assessment of the area burnt in boreal ecosystems using SPOT-VEGETATION // Intern. J. Remote Sens. – 2007. – vol. 28, iss. 6. – P. 1397– 1404. doi:10.1080/01431160600840978.

27. Шешуков М.А., Савченко А.П., Пешков В.В. Лесные пожары и борьба с ними на севере Дальнего Востока. – Хабаровск: Кн. изд-во, 1992. – 96 с.

28. Kharitonova G.V., Shein E.V., Krutikova V.O., Ostrouhov A.V., Kharitonov E.V. (2019) Secondary carbonates in edaphic components of ecosystems // Soil Physics, IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 368. – IOP Publishing, 2019. doi:10.1088/1755-1315/368/1/012020.

29. Sheingauz A. 1996. The role of fire in forest cover, structure, and dynamics in the Russian Far East // Goldammer I.G., Furyaev V.V. (Eds.) Fire in ecosystems of Boreal Eurasia, 1996. – P. 186–190.

30. Леса Дальнего Востока. – М.: Лесная промышленность, 1969. – 392 с.

31. Argañaraz J., Gavier-Pizarro G., Zak M., Bellis L. Fire regime, climate, and vegetation in the Sierras de Córdoba, Argentina // Fire Ecol. – 2015. – vol. iss. 11. – P. 55–73. doi:10.4996/fireecology.1101055.

32. Fire Information for Resource Management System (FIRMS) (режим доступа: https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/download/) дата обращения: 09.02.2021.

33. García-Lázaro J.R., Moreno-Ruiz J.A., Riaño D., Arbelo M. Estimation of burned area in the northeastern Siberian boreal forest from a Long-Term Data Record (LTDR) 1982–2015 time series // Remote Sensing. – 2018. – vol. 10, iss. 6. – P. 940. doi:10.3390/rs10060940.

34. Ying L., Shen Z., Yang M., Piao S. Wildfire detection probability of MODIS fire products under the constraint of environmental factors: A study based on confirmed ground wildfire records // Remote Sens. – 2019. – vol. 11, iss. 24. – P. 3031. doi:10.3390/rs11243031.

35. Карта природных пожаров России в 2020 году. 2021. Greenpeace, (режим доступа: https://greenpeace.ru/news/2021/04/06/greenpeace-podschital-ploshhad-vseh-landshaftnyh-pozharov-v-rossii-v-2020-godu/) дата обращения: 09.02.2021.

36. Государственный доклад о состоянии и охране окружающей среды Хабаровского края за 2019 год. 2020. (режим доступа: https://mpr.khabkrai.ru/?menu=getfile&id=8149) дата обращения: 20.05.2021.

37. Urbanski S.P., Wei Min Hao, Stephen B. Chemical Composition of Wildland Fire Emissions // Developments in Environmental Science. Bytnerowicz A., Arbaugh M., Riebau A., Andersen C. (Eds), 2009. – vol. 8. – P. 79–107. doi:10.1016/S1474-8177(08)00004-1.

38. Nunes J.P., Doerr S.H., Sheridan G., Neris J., Santín C., Emelko M.B., Silins U., Robichaud P.R., Elliot W.J., Keizer J. Assessing water contamina-tion risk from vegetation fires: Challenges, opportunities and a framework for progress // Hydrological Processes. – 2018. – vol. 32(5). – P. 687–694. doi:10.1002/hyp.11434.

39. Rothe M., Frederichs T., Eder M., Kleeberg A., Hupfer M.: Evidence for vivianite formation and its contribution to long-term phosphorus retention in a recent lake sediment: a novel analytical approach // Biogeosciences. – 2014. – vol. 11. – P. 5169–5180. doi:10.5194/bg-11-5169-2014.

40. Rothe M., Kleeberg A., Hupfer M. The occurrence, identification and environmental relevance of vivianite in waterlogged soils and aquatic sediments // Earth-Science Reviews. – 2016.vol. 158. – P. 51–64. doi:10.1016/j.earscirev.2016.04.008.

41. Zhiyao Tang, Wenting Xu, Guoyi Zhou, Yongfei Bai, Jiaxiang Li, Xuli Tang, Dima Chen, Qing Liu, Wenhong Ma, Gaoming Xiong, Honglin He, Nianpeng He, Yanpei Guo, Qiang Guo, Jiangling Zhu, Wenxuan Han, Huifeng Hu, Jingyun Fang, Zongqiang Xie Patterns of plant carbon, nitrogen, and phosphorus concentration in relation to productivity in China’s terrestrial ecosystems // PNAS. – 2018. – vol. 115(16). – P. 4033–4038. doi:10.1073/pnas.1700295114.

42. Kharitonova G.V., Ostroukhov A.V., Tyugai Z.N., Kruticova V.O. Labile Components of Botton Sediments in the Simmi River (Bolon State Nature) // Moscow University Soil Science Bulletin. – 2020. – vol. 75 (4-5). – P. 168-175. doi:10.3103/S0147687420040043.

43. Kharitonova G.V., Ostroukhov A.V., Tyugai Z.N., Kruticova V.O. Impact of fires on eutrophication in rivers (the Simmy River, the Bolon Nature Reserve) // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2021. doi:10.1088/17551315/895/1/012014.