УДК 911.2, 551.8

DOI: 10.24412/cl-37200-2024-931-938

РЕКОНСТРУКЦИИ ИСТОРИИ ПАЛЕОПОЖАРОВ В СЕВЕРНОЙ ЛЕСОСТЕПИ В ПОЗДНЕМ ГОЛОЦЕНЕ (ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ УГЛЯ В ТОРФЕ НА ТЕРРИТОРИИ МУЗЕЯ-ЗАПОВЕДНИКА «КУЛИКОВО ПОЛЕ»)

RECONSTRUCTIONS OF THE LATE HOLOCENE PALEOFIRES IN THE NORTHERN FOREST-STEPPE ZONE (FROM MACROSCOPIC CHARCOAL DATA IN PEAT FROM THE AREA OF THE MUSEUM-RESERVE "KULIKOVO BATTLEFIED")

Новенко Е.Ю.^1,2, Куприянов Д.А.³, Волкова Е.М.⁴

Novenko E.Yu.^1,2, Kupriyanov D.A.³, Volkova E.M.⁴

¹Институт географии РАН, Москва, Россия

²НИУ ВШЭ, Факультет географии и геоинформационных технологий, Москва, Россия

³Института археологии РАН, Москва, Россия

⁴ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет», Тула, Россия

¹Institute of Geography RAS, Moscow, Russia

²Faculty of Geography and Geoinformation Technologies, Higher School of Economics University, Moscow, Russia

³Institute of archeology RAS, Moscow, Russia

⁴Tula State University, Tula, Russia

E-mail: ^1,2lenanov@mail.ru, ³dmitriykupriyanov1994@yandex.ru,⁴convallaria@mail.ru

Аннотация. Реконструкция частоты пожаров на территории музея-заповедника «Куликово поле» (бассейн Верхнего Дона, Среднерусская возвышенность) за последние 4000 лет выполнена на основе палеоантракологического анализа (изучения содержания макроскопических частиц угля с линейным размером более 100 мкм) в торфяных отложениях Подкосьмовского болота. В статье проведено сопоставление полученных результатов с количественными реконструкциями лесистости и изменениями растительности региона, выполненными ранее для этой территории с использованием палинологических данных и археологических материалов. Результаты исследования показали низкую пожарную активность на территории Куликова поля в интервале между 4000 и 1500 кал. (калиброванных) л.н. и в последующую эпоху поступление макроскопических частиц угля в торфяную залежь Подкосьмоского болота начало постепенно возрастать. Наибольшая частота пожаров и высокие значения скорости аккумуляции макрочастиц угля в торфе выявлены для периода 900-300 кал.л.н. Взаимосвязь между периодами увеличения поступления частиц угля в торфяную залежь и климатическими изменениями в течение последнего тысячелетия не установлена, однако выявлено четкое совпадение между интервалом повышенного накопления угля в торфе и этапами активизации освоения региона, подтвержденными многочисленными археологическими находками на древнерусских памятниках.

Ключевые слова: торфяная залежь, межпожарный интервал, макроуголь, палеоантракологический анализ, лесистость, ботанический анализ торфа, спорово-пыльцевой анализ.

Abstract. Reconstruction of the fire frequency in the area of the "Kulikovo Battlefield" Museum-Reserve (Upper Don River basin, Mid-Russian Upland) over the past 4.000 years has been carried out on the base of paleoantracological analysis (study of macroscopic charcoal particles with a linear size larger than 100 μm) in the peat core from Podkosmovsky mire. The obtained results of macroscopic charcoal analysis were compared with the published quantitative forest coverage reconstructions and vegetation dynamics in the region, palynological data and archaeological materials. The results of the study showed low fire activity in the area of the "Kulikovo Battlefield" between 4000 and 1500 cal. (calibrated) years BP. Starting at 1500 cal. years BP, the charcoal accumulation rate in the peat deposit of the Podkosmosky mire gradually increased. The highest frequency of forest fires and high values of the charcoal accumulation rate in peat were revealed for the period of 900-300 cal. years BP. The relationship between the periods of increased charcoal influx and climatic changes in the late Holocene has not been established, however, a clear correspondence has been revealed between the interval of increased charcoal accumulation in peat and stages of human activity in the region, confirmed by numerous archaeological findings.

Key words: Peat deposit, fire return interval, macroscopic charcoal, paleoantracological analysis, forest coverage, analysis of plant macro remains, pollen analysis.

Введение. Изучение растительности современной лесостепи и реконструкция ее динамики в голоцене приобретают в последнее время большое значение в связи с климатическими изменениями текущего столетия и усиливающейся антропогенной нагрузкой на экосистемы региона. К настоящему времени накоплен обширный массив данных палеоботанических исследований в экотоне леса и степи. Однако роль пожаров в трансформации растительного покрова лесостепи в голоцене рассмотрена лишь вфрагментарно, хотя реконструкции палеопожаров могли бы способствовать решению дискуссионных вопросов о формировании южной границы лесной зоны в голоцене.

Исследования периодичности пожаров в голоцене в подзоне северной лесостепи, результаты которых представлены в статье, выполнены в бассейне Верхнего Дона на территории государственного военно-исторического и природного заповедника «Куликово Поле». В настоящее заповедник занимает территорию площадью около 1600 км² и представляет собой важнейший модельный объект для изучения современного ландшафта северной лесостепи и его компонентов с целью сохранения и восстановления природной среды.

Цель представленной работы – реконструкция частоты пожаров на территории музея- заповедника «Куликово поле» в позднем голоцене, основанная на анализе макроскопических частиц угля в торфяных отложениях Подкосьмовского болота, сопоставление полученных данных с результатами изучения истории растительности региона и археологическими находками.

Изучаемая территория. Район исследований расположен в северо-восточной части Среднерусской возвышенности и относится к Среднерусской провинции лесостепной области Восточно-Европейской равнины (рисунок 1). В соответствии с геоботаническим районированием Европейской части России [1], Куликово поле находится в Среднерусской подпровинции Восточноевропейской лесостепной провинции. Климат исследуемой территории умеренный, умеренно-континентальный. Согласно наблюдениям на метеостанции в г. Богородицк, расположенной в 40 км к северу от района исследований, среднегодовая температура +3,8°С, средняя температура января и июля –10,6°С и +18,4°С соответственно. Среднегодовое количество осадков 530 мм.

Для района исследований характерно сочетание разнообразных типов почв: черноземных, серых лесных, а также луговых и болотных. Растительный покров Куликова поля представляет собой мозаику лесных, степных, луговых, болотных и антропогенно-нарушенных (сельскохозяйственные поля, разновозрастные залежи, экспериментальные посевы по восстановлению степной растительности) экосистем [2-4].

Рисунок 1. Географическое положение изучаемой территории.

1 – положение района исследования, 2 – положение точки бурения (https://bestmaps.ru/map/osm/opentopomap).

Материалы и методы. Реконструкция палеопожаров на территории музея-заповедника «Куликово поле» выполнена по данным изучения макроскопических частиц угля из торфяных отложений Подкосьмовского болота (N 53º40’117’’, E 38º35’258’’), расположенного в пойме по

левому борту долины р. Непрядвы, в 2 км выше по течению от с. Монастырщино (рисунок 1) и занимающего вместе с заболоченными землями площадь около 3 га [5]. В питании болота принимают участие грунтовые и аллювиальные воды, что обеспечивает высокую минерализацию болотных вод (425-690 мг/л) и формирование эвтрофной растительности, которая представлена сообществами камышовой (асс. Scirpus sylvaticus), таволговой (асс. Filipendula ulmaria), заостренноосоковой (асс. Carex acutiformis) и хвощовой (асс. Equisetum fluviatile) ассоциаций. Указанные сообщества формируются при разном увлажнении: уровень залегания болотных вод варьирует от 3 до 40 см ниже поверхности болота в течение вегетационного сезона. Торфяная залежь болота имеет максимальную мощность 120 см. Отсутствие следов антропогенного воздействия на структуру торфяных отложений и современный растительный покров послужило основанием рассматривать Подкосьмовское болото как модельную болотную экосистему и придать ему статус ООПТ (Постановление правительства Тульской области от 29.04.2015 г. № 210).

Палеоэкологические исследования Подкосьмовского болота проходили в два этапа. На первом этапе в 2009 г в наиболее глубокой части болота была пробурена скважина, глубиной 120 см, и выполнены ботанический анализ торфа, спорово-пыльцевой анализ и радиоуглеродное датирование образцов торфа, результаты которых подробно опубликованы [6, 7]. При бурении болота установлено, что ниже горизонтов торфа залегает глина, голубовато-серая, тонкослоистая. В составе залежи представлены только низинные виды торфа (рисунок 2), в разных частях болота состав залежи отличается незначительно. Торфяная залежь образована осоковым, травяным, древесным (ива пепельная), древесно-травяным и древесно-осоковым торфом [2]. Высокая степень разложения торфа (от 65% в придонных горизонтах залежи до 35- 40% – в ее верхней части) указывает на изменчивый гидрологический режим болота, что обуславливало активное разложение растительных остатков в условиях оптимальной аэрации.

Рисунок 2. Ботанический состав торфа Подкосьмовского болота и соотношение торфяных колонок, отобранных в 2009 и 2019 гг. a – торф (виды торфа: 1– осоковый, 2 – древесно- осоковый, 3 – древесно-травяной, 4 – травяной, 5 – древесный), б – глина.

Возраст базального горизонта торфа – 5040±80 кал. л.н. (калиброванных лет назад). По полученным ранее радиоуглеродным датировкам [6] в представленной работе рассчитана модель вертикального прироста торфа (рисунок 3) с использованием программы Bacon в программной среде R. Для калибровки радиоуглеродных датировок применена программа Calib 8.2, использующая калибровочную кривую IntCal20.

Рисунок 3. Модель вертикального роста торфа в Подкосьмовском болоте.

В 2019 г. торфяная залежь болота была изучена повторно и отобраны образцы для изучения концентрации макроскопических частиц угля в торфе и реконструкции палеопожаров. Торфяная колонка, отобранная в 2019 г., по техническим причинам оказалась короче, чем керн, отобранный в 2009 г. Обе скважины были заложены в центральной части болота в осоковом сообществе, и ботанический состав торфа вскрытых торфяных залежей очень близок по составу и положению границ слоев (рисунок 2). На этом основании мы сопоставили результаты радиоуглеродного датирования и спорово-пыльцевого анализа из скважины, полученной ранее, с результатами изучения макроскопических частиц угля, полученных в рамках представленной работы.

Реконструкция периодичности пожаров в голоцене в бассейне Верхнего Дона выполнена на основе анализа концентрации макроскопических частиц угля (с линейными размерами более 100 мкм) в торфяной колонке. Основным источником поступления микро- и макроскопических частиц угля на поверхность болотного массива считаются выпадения из атмосферы в результате конвективных процессов, возникающих благодаря тепловому воздействию пожаров, а также поступления в результате процессов плоскостного смыва в болотную котловину. Эксперименты и модельные расчеты показали, что макроскопические частицы угля выпадают из воздуха в радиусе от нескольких сотен метров до 20 км от источника возгорания [8], однако основная масса частиц оседает в пределах двух-трех километров от болота. Таким образом, угольные частицы с размерами более 100 мкм служат надежными индикаторами локальных пожаров.

Отбор образцов из торфяной залежи проведен торфяным буром Сукачёва с диаметром пробоотборника 5 см и длиной 50 см. Для анализа макроскопических частиц угля образцы влажного торфа объемом 1 см³ отобраны непрерывно с интервалом отбора 1 см. Всего проанализировано 100 образцов. Подготовка проб проведена по стандартной методике [9]. Образцы торфа отбеливали в 10%-м водном растворе NaOCl объемом 100 мл в течение суток при комнатной температуре, затем каждый образец промывали дистиллированной водой через сито с диаметром ячей 100 мкм и помещали в чашку Петри. Все содержащиеся в чашке Петри частицы угля подсчитывали при 28-кратном увеличении под стереоскопическим микроскопом модели МБС-10 171.

Статистическая обработка результатов подсчета концентрации угольных частиц в торфе осуществлялась в программном пакете tapas [10], который является улучшенным и адаптированным для программной среды R обновлением программы CharAnalysis [8]. Программа позволяет рассчитать скорость аккумуляции частиц угля, выделить ее фоновые и пиковые значения, а также локальные пожарные эпизоды (один или серию крупных пожаров в окрестностях болота) и межпожарные интервалы.

Трансформация полученных значений концентрации макроскопических частиц угля в скорость аккумуляции (частиц/см² в год) проведена с помощью рассчитанной модели скорости вертикального прироста торфа. Предварительно значения были интерполированы и приведены к единому временному разрешению каждого образца, который был равен медианному временному разрешению каждого сантиметра торфяной залежи (40 лет). Затем проведено определение фоновых значений скоростей аккумуляции частиц угля при помощи статистической функции локальной взвешенной регрессии с робастными весами (robust LOWESS) со сглаживающим интервалом в 300 лет. Под фоновыми значениями понимают низкочастотные колебания скорости аккумуляции угля, соответствующие региональному сигналу пожарной динамики и учитывающие возможные погрешности при отборе, пробоподготовке и переотложении угля внутри торфяной залежи.

Для выделения локальных пирогенных эпизодов рассчитано пороговое значение скорости аккумуляции угольных частиц. Непрерывные интерполированные значения скоростей аккумуляции угля, превышающие пороговые значения, расценивались как пожарные эпизоды. Для оценки статистической достоверности для каждого временного окна использовался индекс отношения сигнала к шуму (Signal-to-Noise Index, SNI). Значения SNI > ~0,5 считаются достаточными, а SNI > 3 – максимально достоверными для статистически обоснованного выделения локального пожара. Согласно нашим расчетам, диапазон значений SNI составил от 2,8 до 7,1, что удовлетворяет требованиям статистического анализа. Межпожарный интервал (МПИ) рассчитан как интервал времени между двумя локальными пирогенными эпизодами.

Для выявления роли пожаров в формировании растительного покрова территории были использованы результаты ботанического анализа торфа [2] и спорово-пыльцевого анализа торфяной залежи болота Подкосьмово [6], а также реконструкции лесистости территории Куликова поля, выполненные по палинологическим данным из болота методом «лучших аналогов». Методика и результаты этих реконструкций подробно опубликованы [7].

Результаты исследований и их обсуждение. Результаты анализа накопления угольных частиц в торфяной колонке, отобранной в 2019 г., позволяют охарактеризовать изменения пожарной активности территории, начиная с 4000 кал. л.н. Подсчеты концентрации макроскопических частиц угля в торфяной залежи выявили ее высокую изменчивость в диапазоне от 49 до 2779 частиц/см³ (рисунок 4а). Низкие значения концентрации частиц угля (50- 120 частиц/см³) характерны для нижней части торфяной колонки (100-81 см). В интервале глубин 81-60 см концентрации частиц угля увеличиваются, но испытывают резкие колебания, не превышая 1000 частиц/см³. Существенный рост концентраций угольных частиц (от 200 до 1500 частиц/см³, с пиками до 2900 частиц/см³) выявлен в интервале 60-15 см. В верхней части торфяной залежи концентрация частиц угля понижается до 150-200 частиц/см³.

Расчеты скорости аккумуляции частиц угля и выделение пиков выявили низкую пожарную активность в период 4000-1500 кал. л.н. (рисунок 4). Фоновые и интерполированные значения не превышают 10-15 частиц/см² в год, МПИ колебался от 200 до 350 лет (рисунок 4в). В период 1500-900 кал. л.н. скорости аккумуляции угля возросли до 20 частиц/см² в год, однако МПИ оставался длительным и составлял около 150 лет. Резкое увеличение скорости накопления макрочастиц угля в торфе выявлено в интервале 900-300 кал. л.н. Фоновые и интерполированные значения возросли до 30-40 частиц/см² в год, выделены резкие пики, превышающие 70–80 частиц/см² в год. МПИ сократился до 50-100 лет. В течение последних 300 лет накопление угля сократилось, выявлен только один пожарный эпизод.

Полученные результаты анализа концентраций макроскопических частиц угля в торфе и их сопоставление с палинологическими данными и реконструкциями лесистости территории Куликова поля в позднем голоцене (рисунок 5) позволили нам восстановить историю изменений растительности региона и рассмотреть влияние пожаров на растительный покров.

Согласно данным палинологического анализа торфяной залежи Подкосьмовского болота [6], в период 4000-2300 кал. л.н. изучаемая территория принадлежала к зоне лесостепи. Мозаичный растительный покров включал в себя участки широколиственно-сосновых лесов, пойменные ольшатники и луговые степи на сухих склонах и хорошо дренируемых водоразделах. Лесистость территории составляла 30-40% [7], и к временному рубежу 2700 кал. л.н. достигала 45% (рисунок 5). Увеличение лесистости происходило на фоне похолодания климата, начавшегося в Европе около 2700-2500 кал. л.н. и прослеженного как по многочисленным реконструкциям с использованием палинологических данных в различных регионах Европы [11], так и по материалам исследований в центре Восточно-Европейской равнины и на Среднерусской возвышенности [12]. Пожары, очевидно, не оказывали значительного влияния на динамику растительности района Куликова поля в этот период, на что указывает длительный межпожарный интервал (от 600 до 200 лет) и относительно низкая интенсивность аккумуляции макроскопических частиц угля в торфе (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Результаты изучения макроскопических частиц угля в торфе Полкосьмовского болота. (а) концентрация макрочастиц угля, (б) скорость аккумуляции макрочастиц угля (1 – интерполированные значения скоростей аккумуляции угля, 2 – пороговые значения, 3 – фоновые значения, 4 – локальные пожарные эпизоды), (в) межпожарный интервал.

Существенные изменения растительного покрова в районе Куликова поля произошли около 2300 кал. л.н. Доля пыльцы деревьев и кустарников сократилась с 80 до 50-60%, в то же время участие трав и пыльцы растений – антропогенных индикаторов увеличилось [6], постоянным компонентом спорово-пыльцевых спектров стала пыльца культурных злаков (см. рисунок 5). Лесистость территории понизилась до 15% [7]. В разрезах поймы Непрядвы выявлены признаки антропогенной эрозии почв [13]. Однако, анализ концентрации макроскопических частиц угля в торфе не выявил возрастания пожарной активности в районе исследований. Подъем кривой скорости аккумуляции угля и сокращение МПИ происходит только около 1500 кал. л.н. Возможно, обезлесение территории было связано с антропогенным фактором, например, с рубкой деревьев и использованием древесины. Археологические свидетельства пребывания человека на территории Куликова поля в эпоху бронзы фрагментарны. Возможно, в этот период на изучаемой территории существовали скотоводческие хозяйства [14]. Но большинство исследователей указывает, что периоды освоения территории в бронзовом веке были кратковременными и оказывали локальное воздействие на окружающую среду. Археологические памятники раннего железного века в районе Куликова поля не обнаружены. Возможно, изменения растительности, выявленные по спорово-пыльцевым спектрам, и появление пыльцы культурных злаков отражают некоторый региональный фон, при этом на участке, непосредственно примыкающем к Подкосьмовскому болоту, поселения человека могли отсутствовать.

Заметное увеличение аккумуляции макрочастиц угля в торфе и возрастание частоты пожаров выявлено для последнего тысячелетия. В течение временного интервала между 900 и 300 кал. л.н. в окрестностях Подкосьмовского болота произошло 9 крупных пожаров, МПИ сократился до 50-100 лет. Уменьшение лесистости в регионе исследований в тот же период и обилие пыльцы антропогенных индикаторов в спорово-пыльцевых спектрах свидетельствуют о возрастании антропогенного воздействия на растительный покров [15]. Согласно археологическим данным, в Средневековье территория Куликова поля неоднократно была заселена и вновь оставлена человеком. В ее пределах известно свыше 250 древнерусских памятников, включая городища и могильники, относящихся к двум этапам активизации освоения региона: конец XII – середина XIII в., и первая половина XIV – конец XIV в. [14]. Пожары, возможно, происходили не только по естественным причинам, но под влиянием человека. Следует отметить, что похолодание Малого ледникового периода (МЛП), установленное в Европе в XIV-XVII вв. по данным многочисленных палеоархивов с большим географическим охватом [16], не привело на территории Куликова поля к сокращению пожаров и увеличению площади лесов.

Результаты спорово-пыльцевого анализа выявили существенную деградацию лесов в течение последних 300 лет, которая связана с освоением территории в Новое время. В этот период происходило возделывание больших площадей пашни, увеличилась плотность населения региона, появились новые населенные пункты и дороги [17]. В настоящее время лесистость территории Куликова поля не превышает 10% [7]. Согласно результатам анализа макрочастиц угля в торфе, поступление угля в торфяную залежь в течение последних 300 лет сократилось.