Факультет

Студентам

Посетителям

Факторы, контролирующие поведение элементов при лесных пожарах

Однозначного объяснения причин, влияющих на эмиссию тяжелых металлов, естественных и искусственных радионуклидов не существует.

Поэтому, по аналогии с предыдущим разделом, представляется удобным детальное рассмотрение конкретных примеров. Надежны в этом отношении пирологические объекты ленточных боров Обь-Иртышского междуречья, где из года в год продолжают происходить лесные пожары и где нами обследовано наибольшее количество пожарищ и прилегающих к ним площадей. Здесь присутствуют пожарища разных размеров (от тысяч до единиц га), возникшие как от повальных верховых, так и от низовых беглых пожаров. Все они расположены на дюнных песках, что позволяет исключить влияние пестроты почвообразующего субстрата при сравнении данные по различным пожарищам. При этом рассмотрение объектов из других регионов нами не исключается. Однако только анализ всех данных позволил установить основные факторы, влияющие на поведение химических элементов при лесных пожарах.

Фактор 1. Данные таблиц, обобщающих результаты обследования 26 пирологических объектов, куда входят площади пожарищ и прилегающие к ним площади с наветренной и, где это было возможно изучить, с подветренной сторон, позволяют отметить разнообразие поведения элементов. Первое, что обращает на себя внимание при анализе таблиц, это очень широкий разброс количественных значений миграции или накопления в пожарище какого-либо конкретного элемента. Например, в пожарище от низового пожара около п. Баево коэффициент отношения удельной активности радиоцезия в системе «фон/пожарище» составляет + 13,6%, у п. Волчиха (верховой повальный пожар) — 60,2 %. Иными словами, разница поведения этого искусственного радионуклида при двух различных пожарах составляет почти четыре с половиной раза. Накопление ртути на

Вознесенском пожарище от низового пожара составило +27,3 %, а около с. Николаевка (верховой повальный пожар) потери ее на пожарище достигли 64,3 %. Разница также достаточно большая — почти два с половиной раза. Эти данные относятся к пожарам разного типа. Но даже при одном и том же типе пожаров эмиссия одного и того же элемента может быть различной, однако такого большого различия при этом не будет.

Понятно, что самое большое количество вовлеченных в атмосферную эмиссию элементов (Hg, Cd, As, Pb, Sr90, Cs137 и др.) будет мигрировать в составе пыли и аэрозолей. Но когда речь идет о редких случаях незначительной миграции рудных элементов (Cr, Ni, Co, Mg и других), которые чаще всего все-таки пассивно накапливаются в пожарищах или прилегающих к ним площадях, то здесь следует признать роль более крупных пылевых частиц.

Таким образом, нет оснований сомневаться во влиянии типа пожара на поведение каждого из рассматриваемых элементов. И в целом можно сформулировать закономерно вытекающее из приведенных выше сведений правило: чем выше сила огня, тем выше количественная оценка воздушной миграции элементов и тем обширнее группа мигрантов. Но и при каком-либо одном типе пожаров для отдельных элементов отмечаются различные количественные показатели атмосферной эмиссии. Совершенно очевидно, что должны существовать и другие факторы, контролирующие поведение элементов при лесном пожаре. Ответ следует искать в самих компонентах лесного биогеоценоза.

Фактор 2. Состояние лесных горючих материалов. Как отмечено выше, надежным индикатором многих поверхностных геохимических процессов служит торий-урановое отношение. На одном из пожарищ, с различной степенью выгорания лесной подстилки отобрано по 6 образцов, представляющих участки беглого низового пожара и верхового повального. На первом из них средняя величина отношения Th/U равнялось 0,53, на втором — 1,53. Среднее по 30 пробам, отобранным стандартным кольцом, составило 1,4 при разбросе значений от 0,75 до 2,2. Общеизвестна предпочтительная связь урана с органикой, а тория с минеральной составляющей во всех почвенных процессах, включая и лесные подстилки. Однако этой закономерности противоречат данные отдельно отобранных лесных подстилок, заведомо более обогащенных органикой, поскольку отбор стандартным кольцом обычно захватывает и верхнюю часть подстилающих почв: этот показатель оказался несколько выше — 2,0 (0,5-4,0). Широкий диапазон разброса величины показателя Th/U, несомненно, обязан разнообразию мощности подстилок и соотношению в них растительного и минерального вещества. Кроме того, в некоторых случаях может происходить обогащение почвенного материала (а в нашем случае и эоловых песков) слюдами или тонкими глинистыми частицами. Установлено, что количество урана в почвах возрастает с уменьшением размера частиц [Megumi, Mamuro, 1977 (Цит. по: Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989); Гавшин и др., 1979].

Для иллюстрации зависимости поведения элементов от состояния наземных ЛГМ необходимо рассмотреть два объекта, одинаковых своими пирологическими показателями. Речь идет о пожарах в районе п. Вознесенка (Алтайский край) и п. Ерестная (Новосибирская область). Ландшафтные и другие условия этих объектов совершенно идентичны: это слабо выраженный эоловый рельеф с одинаковым сосновым древостоем и расположением в одной климатической зоне. Совпадают они практически одинаковыми размерами и типом пожара — низовые, беглые с различной степенью выгорания лесной подстилки. Оба они произошли в различные годы, но в конце апреля — начале мая, когда лесная подстилка полностью высохла только около прикорневых участков деревьев, поскольку здесь снег тает значительно раньше, чем на остальной территории леса. На этих небольших участках наземные ЛГМ (главным образом это хвойный опад и лесная подстилка) выгорают полностью, а на основной площади огнем охватывается лишь верхняя или средняя их часть.

Эти два типа выгорания лесной подстилки условно можно рассматривать как микромодель беглого низового (частичное сгорание подстилки) и верхового повального или сильного низового (полное ее выгорание) пожаров.

Сравнение средних значений удельной активности искусственных радионуклидов (90Sr, 137Cs, и Pu) и стабильных элементов на полностью выгоревших и обожженных сверху участках леса подтвердило приведенную выше закономерность их поведения, обусловленную различным типом пожаров — активный вынос группы мигрантов и пассивное накопление рудных компонентов в пожарищах.

Несмотря на полную идентичность этих объектов по пирологическим показателям, данные показывают два различных результата поведения наиболее активных мигрантов: в одном пожарище они накопились, из другого активно мигрировали. В обоих случаях основным поставщиком мигрантов в дымовые аэрозоли послужили лесные подстилки. На обоих объектах отмечаются исчезающе малые количества мхов и лишайников, что позволяет пренебречь вкладом от них в общую эмиссию элементов. Результаты сравнения содержаний радионуклидов и микроэлементов на опаленных сверху (пройденных беглым огнем) и полностью выгоревших (прикорневых) участках, для Вознесенского и Ерестнинского пожарищ совершенно одинаковы: на первых участках содержание всех элементов и изотопов существенно выше, чем на вторых. Однако в первом из них в горелой площади содержание отмеченных мигрантов возросли по сравнению с показателями фоновой территории, а из другого пожарища (Ерестная) они были вынесены. По сообщениям лесников, Вознесенский пожар произошел в безветренную погоду, что исключало воздействие ветра на распространение огня и способствовало быстрой его локализации небольшими силами работников лесной службы. Но атмосферная миграция летучих элементов при пожаре была. Примером тому служит содержание ртути: в эпифитном лишайнике с фоновой площади она на 27,3 % ниже, чем в его аналоге, испытавшем влияние дымового шлейфа — 0,096 и 0,132 мг/кг соответственно.

В центральной части большого пожарища в районе п. Нижняя Каменка (более 4 тыс. га) были отобраны образцы горелых почв с участков, пройденных беглым и повальным огнем. Они легко отличаются друг от друга начинающими прорастать травами, с одной стороны и почти полной обнаженностью песков, с другой. Аналитические результаты показали, что по содержанию элементов-мигрантов (мг/кг), искусственных радионуклидов (Бк/кг), величин pH, потерь при прокаливании (вес. %) и удельного веса (г/см3) эти участки различаются весьма ощутимо. Сравнить приведенные данные с какими-либо фоновыми показателями нами не проведено, поскольку расстояние до них составляло десятки км, а это по нашей методике недопустимо: исходное содержание элементов мы определяем только вблизи пожарища с наветренной стороны. Последний параметр также использован быть не может, поскольку определение наветренной и подветренной сторон пожарища при пожарах таких масштабов невозможно.

Данные показывают, что после низового пожара в горелой площади остается еще достаточно большое количество элементов. При повальном верховом пожаре они выносятся дополнительно причем для ртути, кадмия, селена и искусственных радионуклидов этот вынос составляет 30-45 % от их содержания на участках низового пожара. Несмотря на то, что потери при прокаливании и удельный вес верхних пяти см почвы на участках повального пожара уменьшились почти наполовину, величина pH повысилась всего на 6 %. Несомненно, это связано с увеличением количества золы, имеющей щелочную реакцию, однако она могла быть частично удалена с пожарища эоловым или водным факторами. По этой причине корректное установление зависимости между количеством золы и величиной pH на пожарищах спустя какое-то время после пожара не представляется возможным. Ничем иным, кроме неравномерной влажности лишайников, нельзя объяснить различное содержание радиоцезия на пожарище от низового беглого пожара, изученного нами около п. Тарко-Сале в Ямало-Ненецком АО: здесь на небольших, обойденных огнем, участках (останцах) отмечается активное радиоактивное загрязнение этих растений.

Все приведенные примеры с несомненностью свидетельствуют о том, что кроме вида пожара как фактора миграции элементов из пожарищ видную роль играет и состояние ЛГМ, а именно — влажность лесной подстилки. Это позволяет нам сформулировать еще одну причину, от которого зависит поведение элементов при лесных пожарах: физическое состояние наземных лесных горючих материалов служит одним из факторов, определяющих миграцию элементов при лесном пожаре.

Фактор 3. Характер распределения элементов в наземных ЛГМ. С самого начала радиоэкологических исследований известно, что различные растения по-разному концентрируют и реагируют на искусственные радионуклиды [Rommenga et al., 1967]. В качестве дополнительного фактора, но самым тесным образом связанного с предыдущим, стоит упомянуть характер распределения тяжелых металлов и искусственных радионуклидов в наземных ЛГМ. От этого зависят количественные показатели миграции элементов при пожаре. Наиболее характерное вертикальное распределение многих элементов в разрезе лесной подстилки — увеличение их содержания к нижним интервалам профиля. В период активного изучения «северной цепочки» ягель — олень — человек всеми исследователями отмечалось повышенное содержание радиоцезия в верхних ризоидах кустистых лишайников. Такой тип распределения изредка отмечается и в настоящее время. Однако в коллекциях лишайников, собранных нами в 1999-2001 гг. на Севере Западной Сибири, наиболее распространенным характером было повышенное его содержание в нижних частях [Щербов и др. 2000, 2001]. В зеленых гилокомиевых мхах распределение этого радионуклида в большинстве случаев подчиняется той же закономерности. Объяснение этому несоответствию следует искать в более позднем, чем на юге, радиоактивном загрязнении северных территорий Западной Сибири. Источник его — данные М. Г. Нифонтовой о чернобыльских выпадениях.

Выгорание верхних частей мхов, лишайников и лесных подстилок сопровождается слабой эмиссией элементов-мигрантов не только потому, что верхние части наземных ЛГМ высыхают быстрее, чем нижние, но еще и потому, что в этих компонентах их повышенные содержания находятся в нижних интервалах, а не в верхних. Но беглые низовые пожары происходят не только при влажных наземных ЛГМ. Поэтому при их равнормерном высыхании вертикальное распределение элементов в лесных подстилках, мхах и лишайниках будет играть самостоятельную роль в масштабах эмиссии элементов.

Таким образом, два последних фактора можно было бы объединить, в один, если бы все остальные, а не только эти два, не были тесно связаны между собой. Поэтому следует подчеркнуть, что, в конечном счете, комплексное взаимодействие элементов друг с другом, состояние наземных ЛГМ и распределение элементов в их вертикальных разрезах отвечают за характер поведение при лесных пожарах.

Фактор 4. Погодные условия. Рассмотренные выше причины того или иного поведения элементов во время лесного пожара оказываются недостаточными для выяснения некоторых вопросов. Приведенные сведения Воскресенского и Ерестнинского объектов имеют совершенно одинаковые исходные и пирологические показатели. Однако на одном из них элементы накопились, а из другого были вынесены почти все элементы-мигранты. Причиной такого различия, по нашему мнению, послужили погодные условия. По сведениям, полученным от лесников, около п. Вознесенка пожар произошел в безветренную погоду, что дало возможность лесным службам быстро погасить огонь. Элементы, увлекаемые горячим потоком, поднимались вверх и по мере его остывания оседали на площади пожарища или в различных ярусах леса. Объект у п. Ерестная расположен на берегу Обского водохранилища. Пожар проходил при небольшом ветре (8-10 м/с), что способствовало распространению дымового шлейфа за пределы горелой площади. Это позволяет признать за погодными условиями роль одного из факторов, определяющих миграцию элементов из пожарищ. Однако думается, что этот фактор применим только к небольшим пожарам, поскольку повальные верховые пожары сопровождаются образованием вихревых воздушных потоков, затягивающих холодные массы воздуха с прилегающих к пожару площадей. А горизонтальное движение дымового шлейфа при таких пожарах нельзя не только предсказать, но и практически невозможно восстановить после пожара.

Говоря о влиянии метеорологических условий на атмосферную миграцию химических элементов следует принимать во внимание как силу и направление ветра, так и состояние самой атмосферы. Естественно, сухая и теплая погода будут благоприятны для миграции, а туманная и дождливая — быстрому вымыванию и осаждению пылевых и аэрозольных частиц дымового шлейфа. Стоит добавить сюда и то обстоятельство, что сам процесс горения ЛГМ при таких различных атмосферных условиях будет различен.

Все сказанное позволяет утверждать существование еще одного фактора, от которого зависит распространение дымового шлейфа при лесном пожаре: погодные условия служат одним из факторов, влияющих на вынос или накопление отдельных элементов в горелой площади.

На наш взгляд, влияние этого фактора на параметры воздушного движения дымового шлейфа также не подлежит сомнению. Однако, выше неоднократно подчеркивались разные количественные показатели миграции или накопления в горелой площади отдельных элементов внутри двух выделенных групп. Эти различия сохраняются при всех одинаковых исходных и пирологических условиях. Следовательно, причина этого явления должна заключаться в каких-то свойствах самих элементов.

Геохимические свойства элементов. Рассмотренные выше примеры некоторых пар элементов — магния с ванадием, никеля с кобальтом или марганца с цинком показывают, что эти металлы ведут себя по-разному и в рядах «вынос/накопление» занимают промежуточные положения. Нет сомнения в том, что преобразование лесных подстилок, мхов, лишайников и других компонентов лесного биогеоценоза в различные продукты горения (золу, угли, пыль, аэрозоли и т. д.) под влиянием высоких температур лесных пожаров должны воздействовать на все химические элементы. Поэтому выделенные нами группы мигрантов (90Sr, 137Cs, 239,240Pu, Cd, Hg, Sb, Pb, Zn и Mn) и инертных (Cu, Cr, Ni, Co и V) элементов были рассмотрены на фоне их температур кипения. А поскольку кипение веществ в абсолютном большинстве случаев сопровождается испарением, то наше допущение может рассматриваться как одна из деталей механизма влияния на вынос элементов в составе дымовых шлейфов. Понятно, что в компонентах биогеоценоза химические элементы находятся в различных состояниях: это и сорбция, и абсорбция, и сложные органически-минеральные соединения и так далее. Но поскольку речь идет о лесных пожарах, а, следовательно, и о высоких температурах, то мы обратились к геохимическим данным о различных элементах и попытались рассмотреть их поведение в зависимости от температур их кипения, а значит и испарения.

Для этого выбран наиболее полно изученный Николаевский объект, на котором была рассмотрена зависимость поведения элементов от температур их кипения. Оказалось, что в какой бы форме ни находились элементы в компонентах лесного биогеоценоза, их атмосферная миграция в целом с некоторыми отклонениями прямо зависит от температурного показателя самого элемента. Однако требуются некоторые пояснения.

В группу наиболее активных мигрантов вошли элементы с самыми низкими температурами кипения (до 1700 °С). Из закономерности выпадают марганец и уран, у которых этот показатель составляет 2151 и 3862 °С соответственно: при такой высокой температуре кипения они по показателям миграции оказались между мигрантами — кадмием и свинцом. Выше отмечалась связь урана и марганца с органическим веществом. По-видимому, активная миграция этих элементов связана с их биофильностью и миграцией в составе дымовых частиц органической природы. С другой стороны, низким оказался вынос мышьяка, хотя уже при температуре 610 °С происходит возгонка этого элемента [Краткий…, 1977] и обычно при пожарах он стоит в числе самых активных мигрантов [Shcherbov, Lazareva, 2010]. Причиной низкого показателя в нашем случае может служить нахождение его в минеральной части лесной подстилки и ярко выраженная связь с железом, в частности, с гетитом [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989], в пользу существования которого свидетельствует довольно высокое (>1 %) содержание Fe.

Среди пассивно накапливающихся элементов резко выпадают из общей закономерности ванадий с магнием, имеющие высокую температуру кипения, но слабый вынос, и натрий с калием, которые накапливаются в пожарище, но имеют низкий температурный градиент. Первая пара — это слабые биофилы, а вторая — породообразующие элементы, как и алюминий входящие в состав многих породообразующих минералов и не реагирующие на высокие температуры.

Все лесные горючие материалы имеют растительное (хвоя, листва, кора, древесина, ветви) или растительно-минеральное (лесные подстилки, дерновый слой почв) происхождение. Степень поглощения различных элементов живым веществом разная. Из рассматриваемой нами группы средние коэффициенты биологического поглощения имеют Zn (0,90), Mn (0,40) и Cu (0,13), слабое — Ni (0,030) и Co (0,020) и очень слабое — Cr (0,003) и V (0) [Химическое…, 1991]. Следует думать, что Cd и Hg также относятся к элементам со слабым поглощением, поскольку оба элемента не являются для растений жизненно необходимыми и, в отличие от Zn и Mn, не участвуют в метаболических процессах. [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]. Поэтому поведение различных элементов во время пожара, скорее всего, зависит и от их личных геохимических качеств. Иначе чем можно объяснить активный вынос из пожарищ, например, марганца, имеющего высокую температуру кипения, а, значит, и испарения? Другое дело, кадмий и ртуть, радиоцезий и радиостронций. По нашему мнению, их активная миграция из абсолютного большинства просмотренных нами пожарищ связана с низкой температурой кипения, тогда как у таких рудных элементов как ванадий, медь, хром никель кобальт и т. д. она на порядок выше, а именно они имеют тенденцию накопления в площади пожарища (°С): Hg — 357, As — 610, Cs — 690, Cd — 765, Zn — 907, Mg — 1107, Pb — 1744, Mn — 2151, Sr — 1384, Cr — 2482, Cu — 2595, Ni — 2732, V и Co — 3000 [Краткий…, 1977].

Если наши правила подходят для радиоцезия с его низкой температурой кипения, то не совсем понятно сравнение радиостронция (Т = 1384 °С) с марганцем (Т = 2151 °С) которые во многих случаях совпадают характером воздушной эмиссии. Или пример магния, у которого температура кипения (1107°С) заметно ниже, чем у радиостронция, а показатель миграции в тех объектах, где он определен, почти нулевой или отрицательный. По-видимому, говоря об искусственных радионуклидах, следует иметь в виду их способ поступления и фиксации в компонентах биогеоценоза. Мы придерживаемся мнения в том, что поведение элементов, поступивших в ЛГМ атмосферным или почвенным путем, не может быть одинаковым.

Сравнение суммированных значений миграции элементов по всем обследованным пожарищам Сибири с температурами кипения подтверждает данные по Николаевскому объекту о зависимости поведения элементов от температуры кипения. Однако анализ гистограммы показывает, что из приведенной зависимости выпадают Мп и Zn, имеющие высокие значения биологического поглощения (0,40 и 0,90) и температурного показателя. По нашему мнению, совместное влияние этих двух свойств элементов служит причиной особенности их положения на приведенном графике.

Среди рудных элементов своими низкими показателями выноса из отдельных пожарищ, а в среднем — даже небольшого накопления выделяется еще одна пара элементов — медь и ванадий. Эти два элемента при повышенных концентрациях в почвах ведут к хлорозу и некрозу, однако при обычных содержаниях один из них (медь) играет значительную роль в фотосинтезе, а другой (ванадий) служит стимулятором фотосинтеза в растениях [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]. Это дает основание отнести их к жизненно необходимым для растительных организмов, то есть к слабым биофилам, и занимать в наших рядах промежуточное положение между цинком и марганцем, с одной стороны, и кобальтом с никелем — с другой.

Имеющиеся в литературе сведения о повышенной степени миграции радиоцезия в сравнении с другими радиоизотопами [Израэль, 2000] подтверждаются и нашими исследованиями. Причина этого, скорее всего, кроется в индивидуальных свойствах элементов. Если допустить, что радионуклиды находятся в атомарном или ионном состоянии, и учесть температуру кипения (у радиоцезия она равна 690 °С, а у радиостронция — 1384°С), то приходится признать повышенную воздушную миграционную способность l37Cs при резком повышении температуры, в какой бы форме он ни находился в компонентах биогеоценоза. Однако это не более чем предположение, поскольку при высоких температурах формы нахождения этих радионуклидов в почвах претерпевают существенные изменения. Так это или иначе, но данные свидетельствуют: высокие температуры лесного пожара служат причиной более высокой миграционной способности 137Cs, чем у Sr. Но в поверхностных условиях (в почвенных профилях и, в частности, лесных подстилках) по этому показателю они меняются местами.

Есть еще один индикатор, подтверждающий повышенный миграционный характер радиоцезия. В период испытания ядерных устройств на полигонах США и СССР величина отношения 137Cs/90Sr составляло 1,7-1,8 [Израэль, 2000]. По нашим данным, процессы миграции и перераспределения искусственных радионуклидов способствовали установлению к настоящему времени величины этого значения в почвенном покрове Сибири равной 2 [Страховенко и др., 2004; Щербов и др., 2001]. В верхнем 5 см слое свежих почв в районе пожарища у п. Иля значение 137Cs/90Sr составляет 2,7, а в горелых почвах — почти в полтора ниже — 1,84. Подобное соотношение характерно и для всех пожарищ. Очевидной причиной этой закономерности служит повышенная летучесть 137Cs, способствующая его выпадению не только вблизи пожарищ, но и на более отдаленных территориях.

В заключение рассмотрения различных причин того или иного поведения элементов при лесных пожарах стоит напомнить о разнообразии поведения как самих элементов, так и распространения огня в лесных массивах. Можно определенно утверждать, что в целом именно сочетание отдельных деталей этих двух свойств и явлений в целом могут дать определенный ответ на основные вопросы наших исследований: почему отдельные группы элементов ведут себя совершенно противоположным образом? Без ответа на них мы не можем подойти к разрешению главного нашего вопроса — каковы масштабы миграции тяжелых металлов и искусственных радионуклидов при лесных пожарах в Сибири? То, что эти токсические вещества вовлекаются в эмиссию с дымовыми шлейфами, известно из многих аэрозольных работ [Малахов, Махонько, 1990; Куценогий и др., 1996] и наших наземных натурных наблюдений в различных регионах Сибири [Щербов и др., 2008; Shcherbov, Lazareva., 2010; Щербов, Будашкина, 2012; Щербов и др. 2002].

Таким образом, анализ приведенных выше данных позволяет сделать вывод о том, что поведение искусственных радионуклидов и тяжелых металлов при пожарах зависит от многих причин, главными из которых служат: тип пожара, состояние лесных горючих материалов, метеоусловия, геохимические свойства элементов и характер их распределения в компонентах лесного биогеоценоза.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: