Само собой понятно, что естественное восстановление лесных насаждений на горелых площадях после пожара зависит от многих причин.
Как было отмечено, на пожарищах от низовых пожаров, произошедших весной, некоторые травянистые растения и грибы начинают расти уже к осени. На следующий год появляются широколиственные породы — осина, береза, ивовые. Причем, растут они очень быстро благодаря повышению плодородных свойств почв в результате обогащения их золой. Естественным путем хвойные древесные породы начинают расти на третий год, а в результате рекультивационных мероприятий сразу после пожара, как это отмечалось нами на николаевском пожарище в Алтайском крае, где после осеннего повального пожара уже с весны шли восстановительные работы.
На пожарищах от низовых пожаров быстро восстанавливается растительность, тогда как при повальных верховых пожарах остается практически выжженная земля. На фотографии 2010 года (№ 15) показано одно из пожарищ, возникших в 1997 г на юго-западе ленточных боров. За четыре года до момента фотографирования на нем были проведены рекультивационные работы, однако саженцы сосны прижились не во всех местах. Но около несгоревших участков леса уже появились редкие сосны, взошедшие самосевом. По-видимому, их семена попали на обогащенные золой участки пожарища. Появление на гарях самосева сосны происходит через 2-3 года после пожара. С другой стороны, на одном из пожарищ от низового пожара в ленточном бору, которое произошло в конце апреля 2007 г., нами во второй половине августа того же года отмечались не только маслята и рыжики, но и боровики. При повальных верховых пожарах остается практически выжженная земля. Процессы роста саженцев при рекультивации пожарищ оказываются более высокими, чем у самосева [Парамонов, 2002]. Видимо, это не всегда так, поскольку на пожарище около д. Ерестная (Новосибирская область, 2007 г.) сосны начали расти самосевом уже на следующий год. Преимущественная часть лесных пожаров, возникающих в конце весны, относится к низовым видам, поскольку наземные горючие материалы не успевают высохнуть полностью. Нередки низовые пожары и в летнее время, однако в последние годы отмечается рост интенсивности и увеличение площади пожаров. Пожар сопровождается кардинальной перестройкой почвенно-растительного покрова. Самыми важными факторами, от которых зависит латеральное перераспределение компонентов горелых почв, служат ее гранулометрический состав и гравитационные показатели. Легкие зола и сажа, обугленные фрагменты мелких веток и коры, а также полуразложившиеся их остатки под воздействием временных водных потоков (дождей, талых вод) и ветров перемешиваются в самых верхних горизонтах или перемещаются в пониженные участки рельефа. Естественно, перемещение материала с различными физическими показателями влечет за собой и изменение исходных геохимических показателей. Так, на одном из пожарищ в юго-западной части ленточных боров дюнный рельеф способствовал накоплению зольно-сажистого материала в пониженных участках. Иногда количество продуктов сгорания (золы и сажистого материала) достигало 90 % в верхнем 2-сантиметровом слое. Изменение содержаний всех без исключения элементов четко отразилось в гравитационном перемещении материала гари. При этом элементы-мигранты сконцентрировались в обогащенных золой и сажей участках с разницей относительно содержания на остальной площади в десятки процентов, а содержание рудных элементов (хрома, никеля, кобальта и ванадия) уменьшилось. Среди мигрантов резко обособилась ртуть. Если для кадмия, свинца, цинка, радиоцезия и радиостронция разница составляет соответственно 93, 77, 82, 98 и 52 %, то для ртути она имеет самое низкое значение — 10 %. Несомненно, повышенная летучесть ее явилась причиной пониженной связи с зольным материалом. Неравномерное распределение золы по площади пожарища явилось причиной высокого различия содержаний рудных элементов на разных участках этой выгоревшей земли. На еще одном пожарище в ленточных борах Алтайского края средняя удельная активность плутония в горелых почвах составила 2,02 Бк/кг, а в золе, скопившейся на пониженном участке в четыре раза выше — 8,43 Бк/кг.
При определенных ландшафтных условиях ветровыми и водными факторами легкие составляющие горелых почв выносятся за пределы пожарища, осаждаясь на новых площадях и, следовательно, изменяя их геохимический фон. Все это относится к наземному перемещению материала. Но приведенные выше данные свидетельствуют о том, что воздушный перенос элементов играет при пожарах не меньшую роль и, по-видимому, более широкие масштабы.
Более глубокие интервалы почвы затрагиваются перемешиванием при проведении рекультивационных работ для восстановления лесных насаждений. Так, на пожарище около п. Новоегорьевское (Алтайский край), обследованном нами в 2000 г., радиоцезий был обнаружен только в верхнем 5 см слое горелых почв. Через три года, когда на пожарище были проведены рекультивационные мероприятия с применением техники, радионуклид зафиксирован практически по всему 40-сантиметровому профилю почвы. На пожарище от верхового повального пожара в районе п. Мирный (Алтайский край) удельная активность радиоцезия на незатронутых человеком участках составила 23,7 Бк/кг, а на рекультивированных — только 7.
Скорее всего, природный фактор в процессах перераспределения элементов в постпирогенный период имеет более широкие масштабы, чем антропогенный. Во-первых, потому, что рекультивационные мероприятия проводятся не на всех выгоревших площадях и, следовательно, затрагивают не более 40 см почвенного покрова. А во-вторых, эоловые и аквапроцессы не ограничиваются сантиметровыми измерениями, а способствуют перемещению горелого материала на сотни метров и даже километров, в зависимости от силы ветра или потоков талых и дождевых вод. Меньшие масштабы имеет гравитационный фактор, действие которого контролируется деталями рельефа, а они в некоторых районах имеют небольшие размеры.
Для рассмотрения биогеохимических вопросов постпирогенных площадей был выбран удобный объект, расположенный в районе п. Ерестная на берегу Новосибирского водохранилища в сосновом бору с отчетливо выраженным эоловым рельефом и достаточно подробно описан нами в главе 9. Он представляет собой небольшое пожарище, возникшее от беглого низового пожара с различной степенью выгорания лесной подстилки. Огонь распространялся только по возвышенным местам древних дюн.
Низовой беглый пожар прошел в апреле-мае 2004 г. и был обследован в июле того же года. Растительные материалы собраны на пожарище спустя четыре-шесть лет в середине летних периодов. В список анализируемых веществ вошли: верхние 5 см почвенного покрова, различные виды грибов, стебли и листья иван-чая и брусники на фоновых и выгоревших площадях.
Первое, что обращает на себя внимание на горелых площадях, это буйные заросли иван-чая, семена которого охотно прорастают на оголенной огнем земле: высота растений в среднем составляет около 160-170 см, а у отдельных особей — более 2 м. По сравнению с ними одиночно произрастающий иван-чай на фоновых площадях выглядит карликом: его рост не превышает 60-70 см. Кроме того, на отдельных листьях отмечается проявление пожухлости и некроза, что совершенно отсутствует у растений с пожарища.
Морфология растений — не единственное последствие низового пожара для растений, и, несомненно, обязана изменениям геохимического состава почв после пожара. В постпирогенный период на пожарище активно произрастают различные грибы (преимущественно маслята и рыжики), геохимический состав которых существенно отличается от их аналогов с фоновых территорий. Это подтверждают данные, анализ которых не позволяет установить общую закономерность для всех грибов и растений относительно разницы содержания элементов в образцах с фоновых и выгоревших площадей.
Для выяснения постпирогенных особенностей были собраны образцы почв, некоторых зеленых растений и различных грибов, аналоги которых можно было обнаружить на фоновых территориях, не попавших под влияние пожара. В коллекцию проанализированных грибов вошли рыжики (Lactarius deliciosus), маслята (Suillus Intern), моховики (Ixocotrus varigatm), лисички (Cantharellus cibarius Fr.), опенки (Arm ill aria mellea), подосиновики (Leccinum aurantiacum). Из зеленых растений удалось собрать листья и стебли кипрея (Epilobium) и листья брусники (Vaccinium vitis-idaea).
Сравнение фоновых площадей и пожарища в целом показывает, что на гари осталось меньше Cd, Hg, Zn и Mn, чем на фоновой площади. Анализ аналитических данных показывает резкое колебание содержания отдельных элементов в разных видах грибов. Например, концентрация кадмия в лисичках и опятах на фоновой площади различается более чем в 15 раз (3,3 и 0,067 мг/кг соответственно), а на пожарище — в 49 раз! Рыжики и моховики содержат ртути больше, чем все остальные виды грибов; в сравнении с грибами листья брусники, стебли и листья иван-чая заметно меньше загрязнены этим опасным элементом, но охотнее накапливают стронций (в 92 раза!). При этом кипрей в тысячи раз богаче калием и кальцием, а листья брусники калием обеднены. Отсюда и широкий разброс значений коэффициентов биологического поглощения некоторых элементов-мигрантов среди различных растений.
Например, кадмий охотно концентрируют рыжики, моховики и особенно опята, цинк — рыжики, лисички, подосиновики и маслята. У кипрея листья лучше поглощают кадмий, чем стебли, но те и другие имеют величину Кк<1 для всех остальных элементов. Листья брусники концентрируют только марганец, но очень энергично очищаются от свинца, меди и ртути, для которых величина Кк<0,5.
В целом же можно уверенно констатировать уменьшение содержания свинца и марганца у всех грибов и накопление кадмия и ртути в большинстве проб как с фоновой, так и с горелой площадей. У этих элементов обычно и в данном случае отмечен самый высокий показатель миграции при лесном пожаре. На этом фоне непонятным выглядит незначительная разница содержания ртути в грибах с фоновой и горелой территорий. Странным представляется также устойчивое уменьшение содержания свинца во всех пробах грибов (исключая подосиновики) с выгоревшей площади на фоне отсутствия его выноса при пожаре. Интересно отметить и повышенное (почти в два раза) содержание цинка подосиновиками в сравнении с маслятами и моховиками, несмотря на то, что все они относятся к губчатым представителям. При этом, однако, коэффициенты поглощения у всех грибов превышают 1.
Очень низкое содержание марганца во всех пробах грибов, более высокое в листьях и стеблях кипрея и очень высокое в листьях брусники, а также предпочтительное накопление цинка грибами и отторжение зелеными растениями — все эти данные свидетельствуют об избирательной толераности различных представителей лесной растительности к отдельным элементам.
В общих чертах аналитические результаты подтверждают правило неохотного поглощения грибами и прочими растительными организмами большинства неорганических компонентов питательной среды. Однако для некоторых растений требуются несколько повышенные содержания отдельных микроэлементов, которые либо связываются в составе «металлоферментов», либо служат катализаторами ферментативных превращений, как это отмечается, например, для марганца в цикле лимонной кислоты [Мюллер, Лёффлер, 1995]. Поэтому активное накопление этого элемента в листьях и стеблях иван-чая или в листьях брусники — только исключение из первого положения, подтверждающее общее правило.
Представляется закономерным низкое содержание марганца во всех пробах грибов (в среднем 11,5 мг/кг), значительно более высокое (205 мг/кг) в листьях и стеблях иван-чая и очень высокое в листьях брусники (1785 мг/кг). Цинк, напротив, охотнее накапливается в грибах, причем его количества превышают содержание в подстилках. Это свидетельствует об избирательном концентрировании марганца зелеными растениями и цинка грибами.
Несомненно, отмеченными механизмами не ограничиваются причины того или иного взаимоотношения грибов и зеленых растений с микроэлементным составом субстрата их произрастания (в нашем случае это лесная подстилка). Например, цинк выполняет важные функции в метаболизме растений, а скорость и количество его поглощения сильно колеблется в зависимости от вида растений и условий их обитания [Кабата-Пендиас А., Пендиас, 1989], что и наблюдается у иван-чая и брусники. Пример губчатых грибов маслят и подосиновиков с их большой разницей содержания ртути не единичен. Аналогичные результаты дает сравнение пластинчатых грибов. У лисичек и рыжиков наблюдается шестикратное расхождение содержания ртути (0,027 и 0,16 г/т соответственно), хотя все они собраны на площади, не превышающей 0,5 га. Для марганца характерен преимущественный перенос в растениях в меристемных (растущих) тканях, поэтому его относительно повышенные концентрации отмечаются, как правило, в молодых органах растений. Этот элемент в почвенных растворах образует целый ряд простых и комплексных ионов, а также оксидов различного состава. Соединения марганца способны быстро окисляться или восстанавливаться в изменчивых условиях почвенной среды. Его оксидные соединения служат отличными сорбентами тяжелых металлов и радионуклидов, что при достаточно широком развитии марганца в почвах может осложнять взаимоотношение перечисленных элементов с растениями.
По-видимому, какая-то роль в поступлении элементов в растительный организм принадлежит и их антагонистическим свойствам. Для примера: марганец отличается антагонистическим взаимоотношением с медью, железом, фосфором и другими элементами, что также зависит от изменения почвенных условий. Растворимость и доступность цинка для растений в почвах сильно зависит от насыщенности растворов кальцием и фосфором, с которыми у него обнаруживается отрицательная корреляция.
Эти примеры относятся только к двум элементам из нашего списка, но и их достаточно, чтобы показать, насколько сложны процессы поведения и форм нахождения всех элементов в почвенных растворах, взаимоотношения их между собой и поступления в грибы и зеленые растения. Поэтому приведенные сведения, а также неизбежные ошибки в аналитической цепи «пробоотбор → пробоподготовка → анализ», по-видимому, могут служить причиной возникающих неясностей при анализе данных.
На постпирогенных площадях от низовых пожаров уже через год происходят даже визуально заметные изменения качественных и количественных показателей отдельных представителей растительного мира: возникают новые представители растений (или увеличение количественного показателя), семена которых в обычных условиях не достигают поверхности почвы, но стремительно осваивают ее обнаженные огнем площади. Примером в нашем случае служит молодая поросль кипрея, березы и осины на гари от низового пожара. Естественно, меняются и биогеохимические характеристики растений.
На Баевском объекте (низовой пожар) в Алтайском крае листья молодых берез с горелой площади в два раза крупнее своих фоновых аналогов. В геохимическом отношении они также заметно различаются. В листве с пожарища увеличилось содержание породообразующих элементов, причем самое большое повышение зафиксировано для калия [Журкова, 2013….3 и 7]. Несомненно, это обстоятельство связано с увеличением золы на выгоревшей площади: как было показано выше, калий среди всех элементов наиболее интенсивно концентрируется в золе. Естественным источником его в золах служат не только продукты сгорания растительных компонентов, но и калиевые полевые шпаты — широко распространенные минералы почвообразующих пород. Это дает основание предположить, что выгорание ЛГМ сопровождается увеличением подвижной формы калия в горелых почвах. Подвижная форма не может возникнуть от калиевых полевых шпатов, поскольку они стоят в ряду наиболее стойких к выветриванию минералов. Следовательно, она возникает только от продуктов сгорания растительных компонентов. На наш взгляд, такое допущение не противоречит предложенному нами механизму калиевого обогащения горелых почв преимущественно за счет калиевых полевых шпатов. Подтверждением этого тезиса может служить минеральный состав супесей и суглинков, слагающих почвообразующие породы района. Присутствие калиевых полевых шпатов в таких породах явление обычное.
Интересно отметить и то обстоятельство, что в листве берез из пожарища уменьшилось содержание элементов-мигрантов (Mn, Zn и Cd). Это уменьшение невысокое (от 0,7 до 1,6 раза), но оно служит еще одним свидетельством миграции этих элементов из почв при низовом беглом пожаре. Но в таком случае непонятно повышение содержания мышьяка в листьях с горелой площади. Такое большое расхождение (+1,7 раза) исключает аналитическую ошибку, поскольку очень сильно превосходит пределы его обнаружения. Можно только предполагать изменение формы нахождения мышьяка при пожаре или повышенную поглотительную способность молодых листьев березы к этому элементу. Весьма вероятен и суммированный эффект этих двух механизмов.
В общих чертах аналитические результаты по двум пирологическим объектам подтверждают общее правило неохотного поглощения грибами и прочими растительными организмами большинства неорганических компонентов питательной среды. Однако для некоторых растений требуются несколько повышенные содержания отдельных микроэлементов, которые либо связываются в составе «металлоферментов», либо служат катализаторами ферментативных превращений, как это отмечается для марганца в цикле лимонной кислоты [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]. Поэтому активное накопление этого элемента в листьях и стеблях иван-чая или в листьях брусники — только исключение, подтверждающее общее правило.
Несомненно, отмеченными механизмами не ограничиваются причины того или иного взаимоотношения грибов и зеленых растений с микроэлементным составом субстрата их произрастания (в нашем случае это лесная подстилка). Например, цинк выполняет важные функции в метаболизме растений, а скорость и количество его поглощения сильно колеблется в зависимости от вида растений и условий их обитания (что мы и наблюдаем у иван-чая и брусники).
Для марганца характерен преимущественный перенос в растениях в меристематических тканях (тканях роста), поэтому его относительно повышенные концентрации отмечаются, как правило, в молодых органах растений. Этот элемент в почвенных растворах образует целый ряд простых и комплексных ионов, а также оксидов различного состава. Соединения марганца способны быстро окисляться или восстанавливаться в изменчивых условиях почвенной среды [Перельман, 1972].
По-видимому, какая-то роль в поступлении элементов в растение принадлежит и их антагонистическим свойствам. Для примера: марганец отличается антагонистическим взаимоотношением с медью, железом фосфором и другими элементами, что также зависит от изменения почвенных условий; растворимость и доступность цинка для растений в почвах сильно зависит от насыщенности растворов кальцием и фосфором, с которыми у него обнаруживается отрицательная корреляция [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989].
Эти примеры относятся только к двум элементам из нашего списка, но и их достаточно, чтобы показать, насколько сложны процессы поведения и форм нахождения всех элементов в почвенных растворах, взаимоотношения их между собой и поступления в грибы и зеленые растения. Поэтому приведенные сведения о взаимоотношении лесных горючих материалов между собой, а также ошибки в аналитической цепи (пробоотбор → пробоподготовка → анализ), по-видимому, могут служить ответом на возникающие вопросы при анализе приведенных здесь таблиц. Еще одно обстоятельство может искажать результаты взаимоотношения растений и микроэлементного состава почвенного покрова. Это одинаковое состояние растительных материалов с фоновых и горелых площадей. Сбор таких материалов без влияния на них насекомых и других живых организмов на каком-либо конкретном пирологическом объекте задача достаточно трудная по многим объективным позициям. Поэтому решение возникших вопросов возможно только накоплением новых данных.
В заключение отметим основные итоги изучения постпирогенного состояния почвенно-растительного покрова. Первое — различные растительные индивиды по-разному реагируют на изменение геохимического фона выгоревших площадей. Второе — коэффициенты биологического накопления различных элементов одним и тем же растительным компонентом на фоновой и постпирогенной площадях не подчиняются какой-то определенной закономерности: в одних случаях их значения выше на горелой площади, в других — на фоновой. Третье — в выборках как пластинчатых, так и губчатых видов грибов наблюдаются разнонаправленные значения коэффициентов биологического поглощения даже в отношении одного конкретного элемента. Четвертое — как некоторые грибы, так и зеленые травянистые и древесные растения на пожарищах от низового пожара имеют не только более здоровую морфологию, чем на фоновых территориях, но и более обильное распространение. Естественно считать, что все перечисленные особенности есть не что иное, как реакция растительных сообществ на изменение геохимических характеристик среды их обитания после лесного пожара.
Заключая рассмотрение постпирогенных вопросов, следует привести мнение одного из основательных исследователей лесных пожаров: «Биогеохимическая эволюция ландшафта обусловлена интенсивной межбиогеоценотической мигрцией водорастворимых минеральных соединений, коллоидов и мелкоземов. Эта миграция ведет к постепенному обеднению почв биогенными элементами повышенных участков и эвтрофикации пониженных форм рельефа… В целом пожары представляют собой существенно экологическим механизмом регулирования структуры, функций и эволюции всей биосферы. Изучение этих явлений — важнейшая задача современной экологии («пироэкологии»)». [Сапожников, 1976, стр. 31].