Стихийное бедствие замедленного действия

Уже не первый год в России горят леса, мы регулярно слышим в новостях о том, что свои дома теряют люди и дикие звери, после чего вынужденно спешат в безопасные места. Кроме того, мы можем собственными глазами увидеть смог, распространяющийся на десятки и сотни километров от очагов стихийного горения. Всё это внешние проявления пожаров, но существуют также отдаленные последствия этих стихийных бедствий. О том, чем опасны для человечества лесные пожары в долгосрочной перспективе, рассказали сибирские ученые. 

Наш спикер: научный сотрудник лаборатории биогеохимических циклов в лесных экосистемах Института леса им. В.Н. Сукачёва СО РАН кандидат биологических наук Оксана Викторовна Масягина.

— Почему постпожарный лес привлекает внимание ученых?

— Ежегодно страдающие от пожаров сибирские леса содержат значительное количество так называемого старого почвенного органического углерода, погребенного в многолетней мерзлоте. Из-за изменения микроклиматических условий, вызванных ранее воздействием огня, он может подвергаться микробному окислению до углекислого газа (СО₂) и высвобождаться в атмосферу. Этот процесс усугубит климатические изменения в высоких широтах (близких к полюсам, в данном случае — к северному), которые признаны наиболее уязвимыми, — всё это негативно повлияет на глобальный климат. Кроме того, лесные пожары сильно влияют на местный климат. С одной стороны, выделяемые во время этих процессов аэрозоли обладают охлаждающими свойствами, а также снижают парниковый эффект. С другой стороны, уменьшение альбедо (отражающей способности) поверхности на заснеженных территориях за счет разрушения древесно-кустарникового покрова может спровоцировать таяние вечной мерзлоты. Эти изменения могут напрямую влиять на потоки CO₂ и других парниковых газов между почвой и атмосферой в долгосрочной перспективе. Особые опасения вызывает то, что за последние десятилетия лесные пожары в Сибири участились, причем во всех ее частях: Западной, Средней и Восточной. Пожарные сезоны 2019–2020 годов стали беспрецедентными по масштабам в Арктике из-за более раннего начала пожароопасного сезона, вызванного климатическими изменениями, такими как, например, теплые зимы.

— Что такое старый органический углерод и каким образом он высвобождается из почвы? 

— Old soil organic carbon, так называемый старый почвенный органический углерод — это погребенное в многолетней мерзлоте органическое вещество, часто в анаэробных условиях при низкой температуре и влажности, которые не способствуют его разложению почвенными микроорганизмами. Он как бы законсервирован до того момента, когда условия изменятся и он станет доступен для почвенной микробиоты, которая его окислит до СО₂. Углекислый газ считается основным парниковым газом, который влияет на климатические изменения, в том числе в экосистемах высоких широт в Сибири и Арктике. В северных экосистемах с помощью радиоуглеродных исследований было показано, что термокарстовые озера, хорошо дренированные почвы с мощным активным слоем, вызванным пожарами, а также водоемы, возникшие на участках с термической эрозией, как раз являются источниками старого почвенного органического углерода, высвобождаемого из вечной мерзлоты. Например, исследование отложений едома (форма рельефа арктических и субарктических равнин Восточной Сибири, представляющая собой возвышенности, окруженные речными долинами или озерными котловинами, — прим. ред.) показало, что более старый почвенный материал, сохранившийся в вечной мерзлоте, демонстрировал высокую скорость микробного дыхания почвы на единицу инкубированного углерода по сравнению с молодыми и менее разложившимися образцами.

Дыхание почвы, или поток СО₂ из почвы в атмосферу, измеряемый с помощью камерного метода, имеет несколько источников: автотрофное дыхание (дыхание корней), микробное дыхание почвы и потоки CO₂ как результат почвенных физико-химических процессов. Различные факторы окружающей среды, такие как температура и количество осадков, а также дестабилизирующие, например, пожары, могут влиять на вклад каждого процесса в почвенное дыхание. В послепожарных бореальных экосистемах, в том числе в сибирских лесах, пожары вызывают существенные изменения в самом почвенном дыхании, а также влияют на процессы, из которых оно складывается.

Камерный метод (chamber method) относится к группе методов прямого определения интенсивности эмиссии CO₂ из почвы, или дыхания почвы. Он является недеструктивным, так как исключает нарушение или уничтожение легкоуязвимых и трудновосстанавливаемых растительных сообществ Севера. Метод заключается в регистрации при помощи портативного ИК-газоанализатора потока СО₂, восходящего с поверхности живого напочвенного покрова. На каждом выбранном для анализа участке устанавливаются пластиковые кольца, количество которых зависит от многих факторов, например, наличия микрорельефа, типа растительности, однородности территории (в среднем 16–20). Чем больше варьирование этих факторов, тем больше требуется колец. Глубина проникновения колец зависит от типа поверхности, но они обязательно должны погружаться в минеральный слой, иначе возможна диффузия CO₂ снаружи камеры. Дальше на кольцо устанавливается почвенная камера, соединенная с газоанализатором, например, Li-Cor 6200. Основной принцип работы установки — измерение увеличения концентрации СО₂ в измерительной камере для оценки газообмена СО₂ в естественных условиях. Перед замером в меню газоанализатора вводятся необходимые параметры для корректного определения дыхания почвы, например, актуальное атмосферное давление, площадь камеры, скорость потока. Скорость потока устанавливается вручную, чтобы гарантировать стабильные условия внутри камеры, и она зависит от интенсивности почвенного дыхания. Например, при исследовании мерзлотных почв в Эвенкии скорость потока устанавливалась от 0,1 до 2 литров в минуту. Дыхание почвы рассчитывается по увеличению концентрации СО₂ с течением времени, по объему всей системы (1120 см³) и площади, которую занимает камера на поверхности почвы (78,5 см²). Кроме почвенного дыхания обычно замеряют также ряд микрометеорологических параметров, например, температуру почвы, влажность. 

— Как выбросы CO₂ зависят от времени, прошедшего после пожара?

— Согласно последним опубликованным данным, дыхание почвы после пожара может сильно варьироваться, но в целом требуется около 10–30 лет после этого стихийного бедствия, чтобы почвенная эмиссия СО₂ стабилизировалась на допожарном уровне. Однако на скорость восстановления почвенного дыхания и регенерацию растительности существенно влияет тип пожара. В сибирских регионах наблюдаются разные их виды: чаще всего — низовые, возникающие из-за низкой сомкнутости лиственничников, основной древесной породы Сибири. Обилие густого мохово-лишайникового покрова, горючесть которого повышается в сухой летний период, увеличивает интенсивность низовых пожаров, и они могут распространяться на нескольких миллионах гектаров. В районах вечной мерзлоты из-за небольшой глубины распространения корней лиственницы, рост которых ограничен вечной мерзлотой, низовые пожары могут преобразовываться в верховые, как, например, в Средней и Восточной Сибири. Воздействие лесных пожаров на почвенный покров может варьироваться от прямого уничтожения верхних слоев почвы, в основном органических, до термохимической трансформации органического вещества. Следует отметить, что присутствие вечной мерзлоты вносит дополнительную неопределенность в оценки почвенного дыхания после пожара. Например, увеличение активного слоя почвы из-за уменьшения альбедо поверхности почвы в результате пожара и связанного с этим прогрева почвы может стимулировать дыхание почвы. При этом переувлажнение почвы в результате таяния вечной мерзлоты после пожара может приводить к подавлению дыхания почвы. В любом случае в имеющихся публикациях минимальный период, за который значения почвенного дыхания в послепожарных экосистемах перестают существенно отличаться от таковых в неповрежденных лесах, составляет 23 года. 

— Каковы последние оценки ситуации с выбросами CO₂? Насколько сильный ущерб экосистеме Сибири нанесли пожары?

— Как основной дестабилизирующий фактор в бореальной зоне и в Сибири в частности пожары контролируют накопление углерода, которое происходит как в растительности (биомассе), так и в почве. Показано, что значительное сокращение чистой продукции лиственничных экосистем, заболачивание и деградация вечной мерзлоты, в частности в Восточной Сибири, являются следствием лесных пожаров, которые смещали углеродный и водный баланс на протяжении десятилетий. Уничтожая органогенный слой почвы, пожары влияют на ее микробную активность, являющуюся одним из основных компонентов дыхания почвы. По различным опубликованным данным, в бореальной зоне для восстановления запасов углерода в различных послепожарных экосистемах требуется около 100 лет, между тем частота пожаров за последние десятилетия существенно возросла. Если предположить, что в Средней Сибири средние оценки частоты пожаров варьируются примерно от 50 до 82 лет, то получается, что при такой частоте пожаров сибирские леса вряд ли смогут полностью восстановить свой потенциал накопления углерода.

С 1988 по 2015 год верховые пожары и низовые пожары высокой интенсивности привели к сокращению запасов углерода в лесных экосистемах в России, охватывающих 785,58 миллиона гектаров, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке. Этому также способствовали и продолжают способствовать национальные особенности защиты лесов от пожаров, когда тушение огня не происходит либо из-за их удаленности, либо из-за отсутствия финансирования. Между тем ратификация Парижского соглашения по климату в 2019 году обязывает РФ делать определенные шаги в сторону сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу. С целью смягчения последствий глобального изменения климата, а также во избежание возможных экономических проблем была разработана Стратегия долгосрочного развития России с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. Она предусматривает усиление охраны лесов от пожаров и вредителей, включая распространение авиационной охраны на I зону космического мониторинга в базовом сценарии, либо распространение авиационной охраны на I и II зоны космического мониторинга и обеспечение накопления углерода в почвах в интенсивном втором сценарии. Как видим, защита леса от пожаров приобрела новую мотивацию.

— Как сегодня происходит восстановление растительности в экосистемах Сибири? 

— Успешная регенерация растительности и развитие древостоя после пожара тесно связаны с восстановлением вечной мерзлоты. Например, по примерным оценкам, в Восточной Сибири возвращение на допожарный уровень может занять 30 лет. При этом, сохраняясь в течение нескольких десятилетий, увеличенная мощность активного слоя почвы улучшает ее термический режим, который способствует росту растений. Согласно оценке растительных индексов, допустим, NDVI (normalized difference vegetation index), в среднесибирских мерзлотных лиственничниках требуется примерно 7–10 лет для восстановления NDVI до допожарного уровня. Тогда как по более чувствительному параметру — температуре — необходимо не менее 20 лет. Исследования в Западной Сибири (территория Большого Васюганского болота) показывают, что через год после пожара потери углерода составили около 3800 г/см² в очаге пожара, а восстановление происходило в основном за счет кустарников. Наконец, согласно исследованиям, регенерирующая после пожара растительность контролирует альбедо, поверхностную проводимость и улучшает тепловой режим почв в лесных экосистемах Сибири, например, Средней и Восточной. Восстановление потоков парниковых газов (CO₂ и метана, CH₄) из почвы до допожарных уровней также связано с регенерацией растительности. Как показала одна из недавних работ, прирост биомассы березы и ольхи, регенерировавших после пожара в Средней Сибири, хорошо коррелировал с увеличением потока CO₂ из почвы за счет более высокого вклада корневого дыхания. То есть восстанавливающаяся растительность может контролировать почвенное дыхание также через стимуляцию микробного дыхания почвы выделениями корней растений. Таким образом, крайне важно исследовать в комплексе, как пожары влияют на почвенные процессы (цикл углерода, потоки парниковых газов, трансформацию органического вещества почвы) и восстановление растительности.

— Есть ли способы позитивно повлиять на климатическую картину постпожарной Сибири?

— Существование связи между изменением климата и увеличением частоты пожаров в высоких широтах, в частности в различных сибирских регионах, подтверждается многими исследованиями за последние два года. Более того, есть единое мнение о совместном влиянии изменения климата и лесных пожаров на цикл углерода и эмиссии CO₂ почвами в Сибири. Обзор публикаций за последние два года показал, что дыхание почвы в послепожарных экосистемах Сибири достаточно сильно варьируется в зависимости от времени, прошедшего после пожара. В условиях потепления климата повышение температуры почвы будет стимулировать минерализацию углерода почвенной микробиотой, увеличивая величину и изменение выбросов парниковых газов в атмосферу в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Отсутствие надлежащих государственных противопожарных мер в Сибири оставляет только возможность мониторинга выбросов CO₂ и отслеживания изменений в экосистемах Сибири после пожаров. Сибирь занимает большую территорию и очень неоднородна по ландшафту. Поэтому понимание взаимодействия между изменением климата, пожарами, потоками углерода и растительностью имеет решающее значение для глобальных прогнозов климата. В том числе и для оценки потоков парниковых газов в рамках Стратегии долгосрочного развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. Однозначно, сегодня необходимы дальнейшие исследования потоков углерода в атмосферу путем поддержки существующей структуры мониторинга и создания широкой сети новых точек для наблюдения за выбросами CO₂ в послепожарных экосистемах Сибири.

Беседовал Андрей Фурцев

Фото предоставлены исследовательницей и из открытых источников
 

Источник информации: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН