Анализ взаимного влияния климата, пожарных режимов и динамики лесной растительности

В МГУ им. М. В. Ломоносова изучают влияние пожаров на российские леса.

Нынешним летом особый противопожарный режим установлен в 58 субъектах Российской Федерации. Еще бы, около двух третей территории Отечества покрыты лесом. В них за год регистрируют от 9 до 35 тысяч пожаров, охватывающих площади от 500 тысяч до нескольких миллионов гектаров.

Старики говорят: раньше такого количества пожаров не было. А специалисты утверждают, что за последнее десятилетие пожары стали в семь раз масштабнее: если в 1990–2011 годах один пожара охватывал в среднем около 50 га, то в 2012–2022 годах – 335 га. А объем восстановления лесов – высаживание молодой поросли деревьев – сократился в 2,7 раза по сравнению даже с 1990-ми годами.

Как правило, возгорания лесов у нас начинаются в апреле и длятся до октября. По данным Рослесхоза, средний ущерб в год составляет около 20 миллиардов рублей, из которых от 3 до 7 миллиардов – из-за потерь древесины. Остальной урон – расходы на тушение и последующую расчистку горелых площадей, гибель животных, загрязнение продуктами горения, траты на восстановление лесов и т. д.

При этом лесной пожар пожару рознь: их подразделяют на валежные (низовые), верховые, торфяные. Примерно 90 % от общего количества – низовые. Это когда горят трава, подлесок, нижние части крупных деревьев, выступающие корни. Скорость распространения низового пожара составляет 2,5–3 м/мин. Верховые пожары распространяются куда быстрее – при сильном ветре огонь несется по кронам деревьев со скоростью до 400–500 м/мин. Торфяные пожары возникают на осушенных болотах, отчаянно дымят и продвигаются на несколько метров в сутки.

Выявлением периодичности пожаров в разных ландшафтных зонах, их влияния на развитие лесных экосистем на фоне климатических изменений и нарастающей антропогенной нагрузки занимается научная группа МГУ им. М. В. Ломоносова. Исследования ученых поддержаны грантом РФФИ (20-05-00234), ныне – Российского центра научной информации.

В рамках проекта исследователи взялись выполнить реконструкции пожарных режимов в трех временных масштабах: для последних 30 лет, для исторического периода размеров в 2–3 века и для голоцена (послеледникового времени) продолжительностью примерно 12 000 лет. О том, как это делалось, рассказывает ведущий научный сотрудник вуза, доктор географических наук, профессор РАН Елена Новенко:

– Объектами исследований мы выбрали модельные участки, расположенные в различных природных зонах Восточно-Европейской равнины, но с разным увлажнением, – сказала Елена Юрьевна. – Для Восточно-Европейской равнины впервые была получена информация по проявлению палео- и современных пожаров по одним и тем же территориям за весь голоцен. А это десятки тысячелетий с периодами более теплого и холодного, чем сейчас, климата, с разной антропогенной нагрузкой и современный срез. Это позволило выйти на масштабные оценки территорий, что были охвачены пожарами, и определить особенности развития лесных экосистем.

Впервые на большом фактическом материале исследователи сделали анализ взаимного влияния климата, разных пожарных режимов и динамики лесной растительности (на основе не только анализа современных событий, но и палеоэкологических данных).

– Елена Юрьевна, что такое модельные участки?

– Это территории, расположенные в различных природных зонах Восточно-Европейской равнины – в Архангельской, Рязанской, Тульской областях и в Республике Мордовия. В Архангельской области исследования велись для площади радиусом в 70 км от Устьянского стационара географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова. В Рязанской – вокруг мещерского стационара «Белое озеро» кафедры физической географии и ландшафтоведения того же факультета МГУ – на площади около 1300 тысяч га. В Мордовии работали в Темниковском районе, на реке Мокша: ограничились 321,5 тысячи га государственного природного заповедника им. П. Г. Смидовича.

Мы сделали три временных среза: современные пожары (за последнее 30-летие), исторический пласт (200–300 лет) и долгопериодная динамика пожарных режимов в голоцене. Фактический материал собирался в ходе полевых работ (древесные спилы и керны, торфяные колонки, данные комплексных ландшафтных описаний). Кроме того, был выполнен большой объем лабораторных анализов. Это и спорово-пыльцевой, и ботанический анализы торфа, и измерение степени гумификации торфа, и анализ находящихся в нем макроскопических (размером >150 мкм) частиц угля. Отмечу, что исследования проводили в Центре коллективного пользования «Лаборатория радиоуглеродного датирования и электронной микроскопии» Института географии РАН.

Изучение пирогенной динамики растительного покрова, остающегося и развивающегося после пожаров, и современной истории продвижения огня в лесах велось на основе разновременных мультиспектральных снимков спутниковых систем Landsat-5, 7 и 8. Для анализа использовали весь доступный архив снимков со спутников Landsat-5, 7, 8 за период 1985–2021 годов для участков в Архангельской и Рязанской областях и за период, начиная с 1991 года, для мордовского заповедника.

– Что же наука выяснила?

– Что в Архангельской области пожары – редкое явление. А на Мещере, рязанских землях последнюю треть века огонь полыхает едва не ежегодно. И на небольших площадях в 30 га, и в огромных масштабах – на территории до 3300 га. Наиболее интенсивные – в 2001-м, 2002-м, 2010-м, 2015-м и 2021 годах. Судя по степени повреждения участков, можно сделать вывод, что на отдельных из них низовой пожар переходил в верховой, уничтожая сосновый древостой полностью. А то, что расположены очаги пожаров на краю леса, вблизи деревень или на открытых пространствах между ними, указывает на то, что, вероятно, началом беды был пал высохшей травы на залежах или непотушенный костер на опушке леса.

В мордовском же заповеднике за период 1991–2020 годов пожары отсутствовали или охватывали небольшие площади, за исключением катастрофы 2010-го, когда пострадали 70 % заповедника. Последствия этой беды ощущаются до сих пор. А вот следующий крупный пожар в заповеднике – полыхнувший по старым гарям в 2021 году, но его, к счастью, быстро локализовали.

Сопоставление результатов, полученных на четырех модельных территориях, показало, что за последние 30 лет полесские ландшафты горели чаще других. А, согласно данным Минлесхоза за последние 10 лет, возросло число пожаров, обусловленных как деятельностью человека, так и климатическими факторами. Поэтому реконструкция естественных пожарных режимов лесных экосистем в различные периоды голоцена по сравнению с настоящим временем имеет большое практическое значение.

– В чем люди осознают опасность всепожирающего огня?

– Люди узнают, как пожары влияют на формирование видового состава и структур лесных сообществ. За 2020–2022 годы мы выполнили реконструкцию динамики лесных пожаров на основе комплексных исследований торфяных залежей болот за долгий период. Сопоставление результатов, полученных в рамках проекта, выявило очень похожую историю смен пожарных режимов в голоцене на территориях в Архангельской, Рязанской, Тульской областях и Республике Мордовия.

Так, в мордовском заповеднике были взяты и проанализированы десятки древесных спилов и кернов, содержащих так называемые «пожарные шрамы» – нарушения древесных колец из-за воздействия огня. Обобщение данных летописи древесных шрамов помогло надежно датировать десять крупных пожаров, охвативших значительные площади заповедника в 1802-м, 1862-м, 1888-м, 1889-м, 1901-м, 1907-м, 1922-м, 1928-м, 1943-м, 1977 годах.

С помощью программного пакета Paleofire была предложена интегральная модель аккумуляции частиц угля в болотных отложениях за последние 9000 календарных лет (в исследовании используются калиброванные радиоуглеродные даты). Полученные данные показали высокую интенсивность аккумуляции угольных частиц. CHAR-индекс (скорость аккумуляции макроскопических частиц угля как показатель количества сгоревшей биомассы) имеет максимальные значения за весь голоцен в период между 9000–6000 лет назад, что указывает на высокую частоту и интенсивность пожаров на Восточно-Европейской равнине. В течение последующих этапов, начиная с 6000 до 2500 лет назад, аккумуляция угольных частиц сократилась, испытывала некоторые колебания, но не превышала ее среднего значения в голоцене. Это говорит о сокращении числа пожаров и ограниченности их распространение в регионе. А, начиная с 2500 календарных лет назад, поступление угольных частиц в торфяные залежи опять стало расти, и после 2000 календарных лет назад CHAR-индекс превышал средние значения.

– И что это значит?

– Мы выявили явное противоречие: около 2500 лет назад был тренд на похолодание и увлажнение климата, но явно возрастала интенсивность горения биомассы. Объяснить это, думаем, можно влиянием человека на возникновение и распространение пожаров. Также установлен существенный рост CHAR-индекса в течение последних 200 лет, который мы связываем с ростом антропогенной нагрузки в регионе и потеплением климата. Однако поступление угольных частиц в торф не превышало значений, характерных для начала голоцена. То есть современные процессы находятся в рамках вариабельности естественных пожарных режимов, – делает вывод Новенко. – Но при общем подобии смен пожарных режимов выявлены региональные различия в реакции лесных экосистем на пирогенное воздействие.

– Можно подробнее?

– В полесских ландшафтах, на моренно-водно-ледниковых равнинах частые пожары в среднем голоцене способствовали очень длительному сохранению в растительности сосново-березовых лесов. Распространение на этих территориях зональных хвойно-широколиственных лесов началось не ранее 6000 лет назад при снижении частоты пожаров. В ландшафтах эрозионных возвышенных равнин зональный тип растительности сформировался же около 8000 лет назад. Наши исследования показали, что на Устьянском плато уже в то время доминировали среднетаежные еловые леса, а в этот же период на Среднерусской возвышенности произрастали широколиственные леса. То есть смены пожарных режимов в течение голоцена хотя и оказывали воздействие на лесные экосистемы, но это воздействие было локально и не приводило к смене типов лесных формаций.

– На какое программное обеспечение вы опирались?

– Для статистической обработки собранных данных был применен программный пакет ChaR-Analysis (Higuera, 2009), адаптированной для среды программирования R (Higuera, 2009). Это позволило по значениям концентрации угля в торфяной колонке рассчитать скорость аккумуляции частиц угля (CHAR-индекс), а также подобрать необходимые статистические параметры, позволяющие достоверно отделить локальные пожарные события, случившиеся непосредственно на болотном комплексе и прилегающей территории радиусом 1 км, от регионального сигнала – пожаров, происходивших в радиусе до 20 и более километров, а также различного рода «шумов». На основе полученных данных о скоростях аккумуляции макрочастиц угля в изученных разрезах с помощью программного пакета Paleofire создана интегральная модель истории лесных пожаров за последние 9000 календарных лет.

– Каковы в целом результаты работы?

– В рамках проекта получены новые для Восточно-Европейской равнины реконструкции пожарных режимов в голоцене на основе данных изучения макроскопических частиц угля в торфе, региональный синтез данных по истории лесных пожаров. Полученные в рамках проекта результаты важны для разработки мер по борьбе с лесными пожарами и прогнозирования их частоты, масштабов и последствий. В ходе выполнения проекта опубликованы 15 статей в журналах, сборниках и материалах конференций, из которых две статьи – в журнале, индексируемых в РИНЦ и Scopus, и одна статья – в журнале Thе Holocene (журнал Q1, Scopus, WoS). Кроме того, выводы могут быть полезны при выполнении Стратегии научно-технологического развития РФ по направлению «Противодействие техногенным, биогенным, социокультурным угрозам, терроризму и идеологическому экстремизму, а также киберугрозам и иным источникам опасности для общества, экономики и государства».

Подготовил Андрей Субботин.
Источник: мультимедийный портал «Поиск».