УДК 631.44
ПОЧВЫ ГАРЕЙ И ГОРЕЛЬНИКОВ ПИНЕЖСКОГО ЗАПОВЕДНИКА И ЕГО ОКРЕСТНОСТЕЙ (СЕВЕР АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ)
Петров Д.Г., Мергелов Н.С., Зазовская Э.П.
Институт географии РАН, г. Москва, e-mail: pd437807@mail.ru

АННОТАЦИЯ. Информация об изменении режимов пожаров в течение голоцена и современной динамике почвенно-растительных систем гарей и горельников на севере Европейской территории России, верифицированная методами радиоуглеродного датирования, актуальна для понимания функционирования лесных экосистем и прогнозирования пирогенных событий. Профиль палеоархивов состоял из 5 серий альфегумусовых почв, перекрытых пирогенными прослоями. По данным анализа морфологии углей (антракологического анализа) основным древесным топливом на протяжении голоцена была сосна (n=158, доля сосны 90-95%). Составлен график распределения плотности вероятности калиброванного 14С-возраста сгоревшей древесины (n=68). Интервалы между пирогенными эпизодами в среднем голоцене составляли 100-200 лет; пики пирогенной активности наблюдались в раннем и позднем голоцене. Максимальная концентрация содержания макроскопических углей, определенная методом просеивания на массу воздушно-сухой почвы (концентрация антракомассы) в морфонах актуальных почв колебалась от 3000-4000 мг/кг (ppm) в гор. Е подзолов. В морфонах почвенных палеоархивов трансаккумулятивных форм рельефа концентрация антракомассы составила от 15000 до 200000 мг/кг (ppm) на склонах и в центре воронок соответственно. Распределение концентрации антракомассы в (палео)почвах описывается тремя концептуальными схемами миграции углистых частиц: барьерной, равномерно-диффузной и неравномерно-диффузной.
Ключевые слова: пирогенез, почвенный пирогенный архив, режим пожаров, концентрация антракомассы, антракологический анализ, актуальные постпирогенные почвы, схемы миграции углистых частиц.
SOILS OF BURNT AND CHARRED FORESTS OF THE PINEGA NATURE RESERVE AND ITS SURROUNDINGS (THE NORTH OF ARKHANGELSK REGION)
ABSTRACT. Functioning of forest ecosystems on the north of European territory of Russia and predicting ability of pyrogenic events require the information on changes in fire regimes during the Holocene and the actual dynamics of soil-vegetation systems with verification of the method of radiocarbon dating. The profile of paleoarchives comprised 5 series of Podzols/Arenosols (Pyric) soils, overlain by pyrogenic layers. The anthracological analysis shows that the main woody fuel for fires during the Holocene was pine (Pinus sylvestris) (n=158; the share of pine 90-95%). A probability density plot of 14C-ages of the burned wood was compiled (n=68). The reliable pyrogenic episodes had intervals about 100-200 years in the Middle Holocene; the peaks of pyrogenic activity were observed in the Early and Late Holocene. The maximum concentration of anthracomass measured by the dry sieving method had fluctuations about 3000-4000 mg/kg (ppm) in the E-horizons of Podzols. The soils morphons in the slopes and centers of the paleo archives in the transaccumulative forms had the maximum anthracomass range from 15000 to 200000 mg/kg, respectfully. The localization of maximum of the concentration of anthracomass in (paleo)soils can be described by 3 the migration patterns of charcoal particles along the soil profile: barrier, uniformly diffused and unevenly diffused.
Key words: pyrogenesis, soil pyrogenic archive, fire regime, anthracomass, actual postpyrogenic soils, anthracological analysis, charcoal migration patterns.
Введение
В докладе обобщены результаты исследований пирогенных почв Пинежского заповедника и его окрестностей [5, 6, 7, 15].
Актуальность изучения пожаров, как явления, трансформирующего почвенно-растительные системы, отмечена многими исследователями [2, 4, 9, 10, 12]. Исследование почв пирогенных палеоархивов и актуальных почвенно-растительных систем гарей и горельников помогает прогнозу дальнейшего пирогенно-обусловленного развития территории в естественных условиях, под антропогенной нагрузкой и в условиях заповедного регулирования [2, 9, 10, 12].
В дальнейшем почвы пирогенных почвенных архивов будут называться пирогенными, что отражает их продолжительное взаимодействие с пожарами и трансформациями почвенно-растительных систем (ПРС), вызываемыми по их причине, а почвы после современных пожаров – постпирогенными, что указывает на изучение только последних послепожарных трансформаций ПРС.
Архивы природной среды – торфяные залежи озерные, аллювиальные, лессовые отложения и др. – отображают региональную динамику определяемого фактора (например, пирогенного) и имеют строгую последовательность слоев, что позже нашло выражение в концепции книжного типа памяти. В конце XIX в. было показано, что почва также обладает памятью, которая может хорошо отражать локальные явления («зеркало ландшафта» по В.В. Докучаеву) [8]. В 70-х годах XX в. исследователи отметили, что сведения о событиях, записанных в профиле почв могут перемешиваться, накладываться друг на друга и стираться, как записи на пергаменте-палимпсесте. Такой тип хранения информации получил название палимпсестовый – он хорошо описывает память почв элювиальных типов ландшафта [8, 14]. В зависимости от своего положения, гранулометрического состава и интенсивности действующего фактора разные типы почвы сохраняют информацию в разном объеме и виде [8, 12, 14]. Современными учеными, отмечено, что почвенные архивы в аккумулятивных и трансаккумулятивных позициях по своим свойствам могут быть отнесены к книжно-палимпсестовому типу памяти, т.к. информация в них способна храниться продолжительное время и записывается преимущественно по субгоризонтальным слоям [7, 10, 14, 15]. Далее мы перейдем к описанию собственно пирогенных событий голоцена с точки зрения почвенной книжно-палимпсестовой памяти.
Частота пожарных эпизодов в масштабе сотен и тысяч лет определяется климатом, поскольку от него зависят типы ПРС, но температурный сигнал, количество солнечной радиации и роза ветров трансформируются в зависимости от локальных условий – положения в рельефе, типа почв, (термо)карстовых процессах и др. Многообразие локальных условий ведет к тому, что комплементарными могут считаться только архивы одного генезиса и возраста, т.е. одной территории [4, 14, 15]. Факт наличия пожара, его температуру, возраст, породу сгоревшей древесины и скорости послепожарной эрозии – всю эту информацию, прямо или косвенно, содержат углистые частицы (УЧ) [4, 5, 6, 7, 11, 13, 14, 15]. Современные методы определения радиоуглеродного возраста сгоревшей биомассы почвенного архива вместе с дендрохронологическим анализом последних шрамов от пожаров могут с достоверной точностью отражать изменения межпожарных интервалов в диапазоне от немногим более 50 тыс. л. н. (поздний плейстоцен) – до настоящего времени [3]. При интерпретации результатов 14С-датирования углей необходимо учитывать встроенный возраст сгоревшей древесины, приблизительно равный среднему возрасту породы. Совокупность УЧ называется антракомассой, она может условно делится на микроуголь, сравнимый размерами с пыльцой растений и макроуголь, который виден невооруженным глазом и отделяется от почвы методами просеивания [11, 13]. Границы разделения фракций микро- и макроугля проводят в зависимости от целей исследования, как в пределах 100-200 мкм при изучении дальнего переноса на сотни и тысячи километров, так и по 500 мкм (0,5 мм), при локальном переносе [4, 11, 13] Измерения антракомассы ведутся в различных единицах: в литературе принято использовать parts per millions (ppm), что соответствует также миллиграмму на килограмм воздушно сухой почвы/вмещающего субстрата [мг/кг]; возможны также процентные значения (для перевода из ppm в проценты нужно разделить значение на 10 000) и простой подсчет. Также используются площадные и объемные значения, например мм2/мм3, мм3/мм3, наиболее часто они используются для органогенных палеоархивов, что исторически связано с техникой отбора объемных образцов из них [4].
УЧ в постпирогенных почвах составляют пул устойчивого углерода (Сpyr), поэтому определение их распространения по профилю имеет важное глобальное значение с точки зрения изучения регионального и глобального углеродного цикла [12]. Доказано, что угли подвержены биологическому и физическому разрушению в зависимости от параметров актуальных почв, которое может занимать от десятков до тысяч и сотен тысяч лет, в зависимости от их залегания в верхних органоминеральных или минеральных горизонтах [12, 15]. В связи с этим требуется информация о положении антракомассы в профиле (палео)почв и потенциале ее разложения.
Цель доклада показать результаты реконструкции режимов пожаров от раннего голоцена до настоящего времени и представить концептуальные схемы перемещения и залегания УЧ в (палео)почвах.
Объекты и методы
Исследования проходили в полевые сезоны 2018-2020- гг. на Европейской территории России (ЕТР) в подзоне северной тайги в зоне распространения карста в Пинежском районе на севере Архангельской области. Были исследованы участки в Пинежском заповеднике, а также Пинежском и Кулойском лесничествах. Координаты общей области исследований 65°00’-64°30’С и 42°10’-43°50’ В, она относится к юго-восточной части Беломоро-Кулойского плато и террасам р. Кулой (рис. 1А).

Рисунок 1. А) Участки исследования; Б) Воронки почвенных пирогенных архивов (N64.747°, E43.387°).
Климат региона субарктический: среднегодовая температура (Т) около -0,2 °С; Тянв –-14,7 °С; Тиюль – 14,3 °С; ∑Такт – 1305 °С; количество осадков 570 мм/год [1]. Почвы исследованной территории представлены подзолами и подбурами под сосняками лишайниково-зеленомошными, а также подзолистыми почвами под ельниками кустарничково-зеленомошными и лиственничниками зеленомошными и сфагновыми [1]. Рельеф от пологоволнистого до холмисто-западинного в зависимости от наличия и выраженности карстовых форм рельефа, на микроуровне представлен приствольными повышениями (рис. 1Б). Породы составлены ледниковыми моренными отложениями (су)глинистого и супесчаного состава, а также песчаными древнеаллювиальными отложениями [1]. Объекты исследования представлены карстовыми и палеокарстовыми воронками следующих параметров (рис. 1Б; табл 1, сентябрь 2018 и 2020 гг.). 
Таблица 1. Параметры (палео)карстовых воронок.
Индекс	Упоминается в тексте	h архива, см	⌳ воронки, °	ø воронки, м	h воронки, м	
Pin 01-18	Воронка 1карстовая	250	<10	15	1,0	
Pin 02-18	Воронка 2 карстовая	110	30	25	5,0	
Pin 03-18	Воронка 3 карстовая	130	<5	10	0,5	
Pin 01-20	Воронка 4 палеокарстовая	150	30	35	5,5	
Объекты исследования – постпирогенные почвы – были расположены в ельниках-лиственничниках кустарничково-зеленомошных – возраст участков 15 лет и 82 года, сосняках зеленомошных и лишайниковых – возраст 2; 4; 29 и 57 лет; лиственнично-еловом лесу сфагновом и зеленомошном – возраст 159 лет. Методы исследования: 1) стандартные почвенно-морфологические методы; 2) определение антракомассы по фракциям; антракологический анализ (выполнен А.А. Гольевой); 3) радиоуглеродное датирование сгоревшей древесины. Почвенно-морфологические методы включали заложение разрезов (1,3-2,5 м глубиной, до породы); и отбор образцов через каждые 10 см, массой около 1 кг. Антракологический анализ проводился на УЧ более 500 мкм под бинокуляром (Nikon Eclipse E200). Концентрация антракомассы определялась сухим просеиванием через набор сит (>5; 5-2; 2-1; 1-0.5 мм) по формулам: С[A]=my/mp, где С[A] – концентрация антракомассы [ppm]; my – масса УЧ всех размерных фракций, [мг], mp – масса навески в.-с. почвы, [кг] [12, 13]. Подготовка к 14С-датированию выполнялась в ЦКП «Лаборатория радиоуглеродного датирования и электронной микроскопии» ИГ РАН на автоматической системе графитизации AGE 3, само датирование проводилось в США (University of Georgia, Athens) [3]. Пики пирогенной активности могут быть сдвинуты из-за ограничений метода, связанных с построением калибровочной кривой и влияния встроенного возраста древесины, которое для исследованных пород составляет около 150 лет.
Результаты и обсуждение
Пирогенные почвенные палеоархивы (далее архивы) состояли из чередования альфегумусовых почв, оподзоленных подзолов и подбуров иллювиально-железистых, а также слаборазвитых псаммоземов (Entic) Podzols/Arenosols (Pyric) на древних аллювиальных отложениях. В профиле палеоархивов чередовались циклы – пожар-послепожарная эрозия-стабильное развитие почв (около V серий) – которые были разделены прослоями угля и/или пирогенными горизонтами (Pir) (рис.2А). Данные радиоуглеродного и антракологического анализа (выборка 68 и 158 соответственно) показали, что в условиях песчаных почв и хвойной растительности, представленной сосной обыкновенной (Pinus sylvestris) история пожаров на протяжении большей части голоцена характеризуется высокой частотой пирогенных событий – между пирогенными эпизодами проходило100-200 лет (Рис. 2Б) – и монотонна. Начало голоцена отмечено двумя локальными всплесками пирогенной активности (10260 ± 40 кал. л. н. и 9240 ± 80 кал. л. н.), которые мы связываем с изменением климата и сменой флоры в конце ледникового периода. Большая часть голоцена (9000-1200 кал. л. н.) не имела выраженных пиков пирогенной активности – пик в конце позднего голоцена мы связываем с антропогенным влиянием, связанным, например, с образованием поселения Пинеги, первое упоминание о которой относится к 1137-му г. Содержание антракомассы в пирогенных морфонах на склонах карстовых воронок составило 10-15 тыс. ppm; в центре карстовой воронки, в морфоне, который мы приписываем динамике понора – 150-200 тыс. ppm; в почвах межвороночных повышений от сотен до 4 тыс. ppm.

Рисунок 2. А) – почвенные профили пирогенных почвенных архивов; цифры 1-4 – комплементарные пирогенные архивы из табл.1. Б) – график плотности вероятности возраста сгоревшей древесины охватом 10600 кал. л. н. – настоящее время.
Неоднородную запись и тип почвенных пирогенных морфонов в исследованных архивах мы связываем с разным временем их образования: рис. 2А(1) – начало голоцена; рис. 2А(2) – поздний голоцен; рис. 2А(3) – средний голоцен и рис.2А(4), предположительно, верхний плейстоцен. На рис. 2А (4) видно, что архив в палеокарстовой воронке под номером 4 имеет более четкие горизонтальные пирогенные горизонты и больший промежуток, между периодами пирогенной активности. Четкую горизонтальную слоистость палеокарстовой воронки мы связываем с прекращением деятельности понора, ведущего к перемещению материла вниз, к центру архива; больший промежуток между периодами пирогенной активности мы связываем со влажными локального условиями (ельник-лиственничник зеленомошно-сфагновый). Современный режим пожаров по данным других заповедников и собственным исследованиям, верифицированным дендрохронологическим анализом, был существенно изменен антропогенным вмешательством в последние сотни лет (табл.2.).
Таблица 2. Средний межпожарный интервал ПРС северной тайги 
ПРС	Без антроп. нагрузки, лет	Под антртроп. нагрузкой, лет	
Ельники и лиственничники мохово-кустарничковые на подзолистых почвах	115-300	79-90	
Сосняки моховые на подзолах	50-100	15-20	
Сосняки лишайниковые на подзолах	40-50	10	
Пирогенно-трансформированные ПРС были представлены псаммоземами (Arenosols (Pyric)), постпирогенными подзолами и подбурами иллювиально-железистыми (Entic) Podzols (Pyric), а также торфяно-подзолисто-глеевыми почвами Gleyc, Histic Fluvisols (Loamic, Pyric) под сосновым лесом или мелколиственным молодняком. Распределение УЧ в актуальных почвах зависело от мощности подстилки и гранулометрического состава верхнего минерального горизонта (ВМГ) (Рис. 3А). При барьерном типе миграции вертикальное движение УЧ останавливалось плотным ВМГ, его цементацией железом и/или высокой влажностью. Содержание антракомассы, относительно других частей профиля почв, велико в подстилке и между подстилкой и ВМГ. При равномерно-диффузном типе миграции УЧ проникают наиболее глубоко в профиль почвы (около 15-20 см) по причине ее песчаного гранулометрического состава и значительного повреждения подстилки пожаром. Содержание антракомассы наибольшее в верхних органоминеральных и минеральных горизонтах (0-5 см) и убывает с глубиной. При неравномерно-диффузном типе миграции вертикальное движение УЧ задерживается вначале подстилкой, затем плотным срединным горизонтом B; на месте удержания УЧ формируется два локальных максимума содержания антракомассы, между подстилкой и ВМГ (0-5 см) и между ВМГ и срединным горизонтом (обычно линза/прослой мощностью 2-3 см между 10-30 см). Распределение углистых частиц в почвах пирогенных архивов зависело также от динамики воронки и циклов постпирогенной эрозии (Рис. 3Б). Все почвы имели морфоны вывалов, свойственные лесным экосистемам, многие с локальными максимумами антракомассы, которая аккумулировалась в воронке вывала.

Рисунок 3. А) схема миграции углистых частиц в актуальных почвах, С[A] – концентрация антракомассы в горизонтах Е/EL; Б) – пирогенный почвенный архив в палеокарстовой воронке, с распределением антракомассы по неравномерно-диффузному типу – Pir II сохранился локально в морфонах вывала, остальные пирогенные морфоны представлены горизонтами.
Почвы палеокарстовых воронок составляли четыре серии пожар-послепожарная эрозия-стабилизация почвенного профиля и демонстрировали сохранение (слепок) неравномерно-диффузной миграции УЧ, которая имела место, когда эти почвы были актуальными. Почвы карстовых воронок не соответствовали представленным общим схемам, т.к. действие понора и вывалов изменило паттерны залегания УЧ.
Выводы
1. Распределение УЧ по профилям актуальных почв Пинежского заповедника и его окрестностей описывается тремя концептуальными схемами миграции: барьерной в подзолистых почвах, неравномерно-диффузной в оподзоленных подбурах и подзолах и равномерно диффузной в псаммоземах и подзолах с мощным гор. Е. Палеопочвы стабильных почвенных пирогенных архивов частично сохраняют то распределение УЧ, которое они имели, будучи актуальными почвами; нарушения в распределении антракомассы связаны с вывалами и неоднородным отложением педоседиментов; палеопочвы динамичных пирогенных архивов имеют специфические морфоны, связанные с понором и вывалами.
2. В соответствии с данными 14С-датирования современное увеличение пирогенной активности на севере ЕТР, связанное с деятельностью человека, нехарактерно по интенсивности и продолжительности для большей части голоцена, и, следовательно, может привести к появлению большого запаса УЧ – пула Сpyr – в (транс)аккумулятивных позициях.
3. С начала голоцена профили альфегумусовых почв в пирогенных архивах карстовых районов севера Архангельской области междуречья Кулоя и Пинеги регулярно воспроизводились; актуальные почвы также остались альфегумусовыми.
Финансирование
Работа поддержана грантом 075-15-2024-554 в виде субсидии крупного научного проекта Минобрнауки России (проект «Глобальные климатические вызовы на территории России: ретроспективный анализ, прогноз и механизмы адаптации»).
Список литературы
1.	Горячкин, С.В. Почвенный покров Севера (структура, генезис, экология, эволюция). М.: ООО «Изд-во ГЕОС», 2010. 414 с. – ISBN 978-5-89118-508-1.
2.	Дымов, А.А. Сукцессии почв в бореальных лесах Республики Коми. М.: ООО «Изд-во ГЕОС», 2020. – 336 с. – ISBN 978-5-89118-815-0. – DOI 10.34756/GEOS.2020.10.37828.
3.	Зазовская, Э.П. Радиоуглеродное датирование – современное состояние, проблемы, перспективы развития и использование в археологии // Вестник археологии, антропологии и этнографии. Т.32. №1. 2016. С. 151-164. – DOI 10.20874/2071-0437-2016-32-1-151-164.
4.	Куприянов, Д.А., Новенко Е.Ю. Реконструкция динамики лесных пожаров Центральной Мещеры в голоцене (по данным палеоантрокологического анализа) // Сибирский экологический журнал. Т. 26. № 3. 2019. С. 253-263. DOI 10.15372/SEJ20190302.
5.	Петров, Д. Г. Пути миграции углистых частиц в постпирогенных почвах тайги и тундры в зависимости от особенностей пожара и факторов среды / Д. Г. Петров // Бюл. Почв. ин-тута им. Докучаева. – 2020. – № 105. – С. 109-145. – DOI 10.19047/0136-1694-2020-105-109-145.
6.	Петров, Д.Г, Гольева А.А. Пирогенно-экстремальные почвы северной и средней тайги России // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. – 2023. – № 1. – С. 16-24. – DOI 10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-1-16-24.
7.	Петров, Д.Г. Пирогенные почвы бореальных и субарктических областей России: динамика свойств и информационная роль : дис. … канд. геогр. наук: 1.6.12 – – Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов. Москва, 2023. – 284 с.
8.	Таргульян, В.О., Соколов И.А. Структурный и функциональный подход к почве: почва-память и почва-момент // Мат. моделирование в экологии : Матер. III школы по мат. моделированию слож. биол. Систем. М.: Наука, 1978. С.17-33.
9.	Харук, В.И., Пономарев Е.И. Пожары и гари сибирской тайги. Наука из первых рук. Т.87. №2. 2020. С. 56-81. – ISSN 1810-3960
10.	Чевычелов, А. П., Шахматова Е.Ю. Постпирогенные полициклические почвы в лесах Якутии и Забайкалья. Почвоведение. 2018. №2. С. 243-252. DOI 10.7868/S0032180X18020120.
11.	Carcaillet C., Thinon M. Pedoanthracological contribution to the study of the evolution of the upper timberline in the Maurienne Valley (North French Alps) // Review of Palaeobotany and Palynology. V.91. Iss. 1-4. 1996. 399-416 p. DOI: 10.1016/0034-6667(95)00060-7
12.	Fire Effects on Soils and Restoration Strategies. Eds. A. Cedra, P.R. Robichaud. Science Publishers. 2009. V. 5. 321-326 p.. DOI 10.1201/9781439843338.
13.	Mooney S., Tinner W. The analysis of charcoal in peat and organic sediments // Mires and Peat. V.7. №.9. 2011. 1-18 p.
14.	Phillips, J. D. Landscape Evolution. Landforms, Ecosystems, and Soils. Elsevier. 2021. 342 p. ISBN: 978-0-12-821725-2.
15.	Soils in karst sinkholes record the holocene history of local forest fires at the north of European Russia / N. Mergelov, D. Petrov, E. Zazovskaya, A. Dolgikh, A. Golyeva, V. Matskovsky, R. Bichurin, S. Turchinskaya, V. Belyaev, S. Goryachkin // Forests, 2020. Vol. 11. No. 12. P. 1-21. – DOI 10.3390/f11121268.