Особенности миграции химических элементов в снежном покрове и поверхностных водах в районах лесных пожарищ центральной Бурятии

Актуальность работы. В условиях постоянного увеличения
антропогенной нагрузки на природную среду, лесные пожары стали одной из
наиболее серьезных глобальных экологических проблем. Значительные по
площади лесные территории ежегодно выгорают в крупнейших странах
мира, таких как США, Канада, Россия, Австралия, Бразилия. Процесс
обезлесения планеты, который обычно связывают с ростом населения и
хозяйственным освоением лесных территорий, значительно усугубляется
потерей лесов за счет крупных пожаров. Одновременно с процессом
сокращения площади лесного покрова планеты наблюдается процесс
деградации лесов, проявляющийся в снижении видового, структурного и
генетического разнообразия лесных сообществ, уменьшении количества
биомассы.
Международным сообществом признано, что только сохранение лесов
может обеспечить поддержание биологического разнообразия на планете.
Леса вмещают в себя около 80 % общего количества углерода, накопленного
в наземной растительности, и являются значительным источником
возобновляемой энергии, особенно для развивающихся стран. Сохранение
всех видов лесов признается критическим фактором экономического и
социального развития, защиты окружающей среды и системы поддержания
жизни на планете в целом [Воробьев и др., 2004]. В этой связи охрана лесов
от пожаров и борьба с их негативными последствиями являются
необходимыми условиями для устойчивого развития любого государства.
Помимо непосредственного ущерба от выгорания лесной
растительности, после крупных пожаров длительное время проявляются
вторичные поражающие факторы: усиливаются эрозионные процессы,
нарушаются условия формирования поверхностного стока, меняется
химический состав природных вод [Майорова и др., 2013]. Дымовая эмиссия
лесных пожаров поставляет в атмосферу огромное количество дисперсных
частиц, ухудшающих оптические и химические свойства атмосферы.
Аэрозоли, в огромном количестве появляющиеся в атмосфере в результате
лесных пожаров, также служат источником поступления водорастворимых
солей в атмосферные осадки, снежный покров, поверхностный сток
[Куценогий и др., 1996]. Оставшиеся после прохождения пожаров на
поверхности почвы зола, обугленные и сгоревшие остатки древесно-
растительного покрова также оказывают большое влияние на формирование
химического состава атмосферных осадков (в результате эолового переноса)
и водных объектов дренирующих пирогенно измененные водосборы
[Шестеркин и др., 2002].
Суммарная площадь лесных территорий, пострадавших от лесных
пожаров, постоянно увеличивается. Скорость восстановления сгоревших
территорий не совпадает с темпами ежегодного пожарного повреждения,
вследствие чего все большие участки леса занимают гари различных
возрастов. Воздействие лесных пожарищ на экологическое состояние
окружающих территорий в этой связи представляет определенный научный
интерес. Появляется необходимость наблюдения за состоянием выгоревших
территорий на каждом этапе послепожарного восстановления.
Цель работы: изучить миграцию химических элементов в снежном
покрове и поверхностных водах на лесных пожарищах и в зоне их
атмосферного влияния в послепожарный период.
Задачи:
 проанализировать изменения химического состава снежного покрова
территорий, в разное время пострадавших от лесных пожаров;
 изучить химический состав поверхностных вод, дренирующих
пирогенно поврежденные участки;
 исследовать размер, морфологию, химический состав нерастворимых
дисперсных частиц, накапливающихся в снежном покрове на участках
лесных пожарищ.
Фактический материал и методы исследования. В основу
диссертационной работы положены статистические данные мониторинга
природных сред в районе исследования, а также результаты анализов
образцов снега и поверхностных вод. Собранная статистическая информация
включала в себя количественные данные о географическом распределении
лесных пожаров на территории Заиграевского района Республики Бурятия в
2010-2015 годах, гидрометеорологическую информацию, полученную на
метеостанции в с. Новая Курба Заиграевского района, данные
гидрологических наблюдений, проводимых на гидрологическом посту
службы Росгидромет в п. Заиграево.
Отбор проб, подготовка их к анализу и обработка результатов
проводилась лично автором. Количество изученных образцов: 50 проб снега
и 30 проб поверхностных вод. Произведено 4050 элементоопределений. Из
образцов снега, отобранных в 2015 году, были выделены твердые частицы
для определения размера и их химического состава – 20 проб.
Количественное определение содержания химических элементов было
выполнено комплексом современных методов анализа: многокомпонентного
ИСП МС анализа на приборе Element XR (Finnigan MAT), ИСП АЭС анализа
на спектрометре Optima-2000 DV, а также методов определения массовых
концентраций ионов в природных и сточных водах, включенных в реестр
ПНДФ. Морфология и состав дисперсных частиц снежного покрова были
изучены по снимкам электронной микроскопии и результатам
энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX-элементного
анализа) с помощью электронного микроскопа JEM-2010 с системой
микроанализа EDAX PHOENIX. Все аналитические работы проведены в
аккредитованных лабораториях, с применением аттестованных методик.
Внутренний контроль качества измерений показал удовлетворительную
сходимость результатов.
Массивы исходных данных и результатов проведенных анализов
обрабатывались с применением методов математической статистики.
Основные статистические закономерности были получены с применением
программного пакета Microsoft Office Excel 2010. Для реализации более
сложных многомерных статистических методов анализа, таких как
однофакторный и многофакторный дисперсионный анализ, факторный
анализ, использовался программный пакет Statistica 10.
Положения диссертации, выносимые на защиту:
1. На пирогенно поврежденных лесных территориях в снежном покрове в
послепожарный период долгое время фиксируются процессы разложения
пирогенно поврежденной растительности. Выявлено, что на протяжении не
менее 4 лет в снежном покрове устанавливается более кислая среда, в
формировании его минерализации возрастает роль гидрокарбонат-иона,
фиксируются повышенные содержания некоторых тяжелых металлов (Zn,
Cd, Mn, Fe) и редкоземельных элементов.
2. В пределах лесных пожарищ изменяются химический состав
поверхностных вод. Увеличивается минерализация, повышается кислотность
и жесткость воды, доминирующую роль приобретает гидрокарбонат-ион.
Повышенный химический вынос в весенний период после прохождения
крупных пожаров обусловлен высокой минерализацией талых снеговых вод.
Устойчивое ежегодное увеличение количества лесных пожаров в водосборе
реки Брянка, начиная с 2013 года, обусловило возрастание содержания
большинства определяемых макро- и микроэлементов в речной воде, как
весной, так и осенью.
3. Пожарища на протяжении нескольких лет поставляют в снежный
покров экологически опасную тонкодисперсную пыль. Основная масса
частиц имеет субмикронные или околомикронные (до 2 мкм) размеры. В
составе тонкодисперсных частиц преобладает углерод. Частицы
субмикронных и околомикронных фракций образуются преимущественно по
конденсационно-коагуляционному механизму за счет сублимируемого во
время пожара органического вещества. Наряду с органическим веществом
присутствуют частицы минерально-почвенного происхождения, которые
вовлекаются пожаром в интенсивную миграцию, они содержат Si, Al, Fe, Cu,
Zn и другие элементы.
Научная новизна. Установлены основные процессы определяющие
миграцию химических элементов в снежном покрове и поверхностных водах
на пожарищах и в зоне их влияния. Показано, что процесс разложения
органических остатков, продолжающийся после пожара, задает на
окружающей территории кислую среду снега и талых вод, что приводит к
интенсификации миграционной способности ряда химических элементов.
Выделены три ассоциации микроэлементов, содержащихся в снежном
покрове пирогенно поврежденных участков леса, поведение которых в
многолетнем аспекте имеет значительное внутригрупповое сходство.
Поведение элементов первой группы (Mg, P, K, Mn, Fe, Al, РЗЭ)
характеризуется резким повышением концентрации в 1-й год после пожара и
резким снижением на 2-й и последующие годы до значений, близких к
фоновому уровню. Эта ассоциация элементов поступает в снег в результате
послепожарного разложения органических остатков. Вторая группа
представлена щелочными и щелочно-земельными элементами (Li, Ca, Sr, Cs,
Ba) тяжелыми металлами (V, Co, Mo, Sn, W). Эта группа элементов
поступает в снежный покров в результате взаимодействия снега с золой на
пожарищах. Третий фактор обуславливает содержание в снежном покрове
типичных тяжелых металлов (Cr, Ni, Cu, Pb). Рост их содержания со
временем связан с тем, что к 3,4 годам после пожарища зола с поверхности в
значительной мере удаляется, снег становится более кислым и эти элементы
начинают в большей мере переводиться из твердой фазы в раствор.
Впервые изучено поведение редкоземельных элементов в снежном
покрове и поверхностных водах в районах лесных пожарищ. Установлены
высокие содержания редких земель, которые накапливаются в снегу в
результате послепожарного разложения несгоревшего органического
вещества. Максимальные концентрации наблюдаются в первый
послепожарный год. Миграция растворимых форм РЗЭ с пожарищ в составе
талых вод приводит к повышению их содержания в воде рек, дренирующих
исследуемые участки, в весенний период.
Показано, что лесные пожарища длительное время генерируют
большое количество экологически наиболее опасных тонкодисперсных
частиц, которые накапливаются в снежном покрове. Установлен химический
состав твердых включений в снежном покрове пожарищ различного возраста
и в зоне их атмосферного влияния. Изучены их размеры и морфология.
Практическая значимость. Показано, что начало пожароопасного
сезона и его характер в весенние месяцы в значительной степени
определяется метеорологическими условиями предшествующего зимнего
периода, в особенности количеством осадков.
Разработана карта распространения лесных пожаров на территории
Заиграевского района Республики Бурятия в 2010-2012 годах, выявлены и
обоснованы закономерности их географического распределения, которые
могут быть использованы для повышения эффективности мероприятий по
предупреждению лесных пожаров и подготовке к пожароопасному сезону.
Полученные данные могут быть полезны при экологическом
мониторинге лесных экосистем, пострадавших от лесных пожаров, а также
при прогнозировании развития негативных последствий лесных пожаров на
пожарищах и сопредельных территориях.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в
сборе статистических данных и фактического материала. Автором лично
производился отбор и подготовка к анализам проб снега и поверхностных
вод, а также обработка полученных данных. Проводился анализ и обобщение
результатов, построение графиков и таблиц, подготовка и написание
публикаций и диссертационной работы. Сформулированы научная новизна и
защищаемые положения.
Достоверность результатов исследования достигается количеством
проб и представительностью материала анализируемых сред, достаточным
для проведения статистической обработки результатов анализа, применением
количественных аналитических методов исследования сертифицированными
методиками в аккредитованных лабораториях, использованием современного
программного обеспечения, а также глубиной проработки полученного
материала и литературы по теме исследований.
Апробация результатов исследования. Основные положения и
результаты диссертационной работы докладывались на конференциях и
конкурсах: Ежегодной региональной научно-практической конференции
«Научно-прикладные разработки и инновационные идеи молодых ученых –