Pirogenic-extreme soils of the Northern and Middle taiga of Russia

Abstract

With the rise in the number of fires, the proportion of pyrogenic soils in Russia is constantly increasing. The objective of this study is to determine how contrasting environmental conditions can trigger wildfires and affect post-fire recovery scenarios. Post-pyrogenic Arenosols, Podzols and Fluvisols have been studied in the taiga subzones: in the Pinezhsky and Pechoro-Ilychsky nature reserves at the European territory of Russia and in the basin of Sukhoi Polui river in the north of Western Siberia. We employed soil morphology description, analysis of anthracomass concentration (calculated as the sum of charcoal particles >0,5 mm) and a set of chemical methods.  We demonstrate that some fires dramatically change the direction of soil formation, causing: 1) loss of organic horizon(s); 2) partial loss of mineral horizon(s); 3) restart of soil formation if the soil stratum has been completely degraded. We propose to distinguish such varieties as pyro-extreme soils. Both weakly transformed full-profile soils (para-extreme) and strongly degraded soils (ortho-extreme) can coexist in the fire-damaged areas. Ecosystems whose properties (e.g. climate, topography, fire-return intervals) predetermine severe fire damage to vegetation and soil cover are proposed as pyrogenically vulnerable. Among studied factors, the post-fire erosion has proven to be a predominant control over long-term changes in the direction of soil formation. We propose a concept of «fire centers» for description of spatial heterogeneity in burning, which can be tracked by changes in the anthracomass concentration.

References

1.Александровский А.Л. Пирогенное карбонатообразование: результаты почвенно-археологических исследований // М.: Почвоведение. 2007. № 5.
2.Атлас почв Республики Коми. Под ред. Г.В. Добровольского, А.И. Таскаева и И.В. Забоевой. Сыктывкар, 2010.
3.Бобровский М.В. Лесные почвы Европейской части России: биотические и антропогенные факторы формирования М., 2010.
4.Воробьева Л.А. Химический анализ почв: Учебник. М., 1998.
5.Горячкин С.В. Почвенный покров Севера (структура, генезис, экология, эволюция) М., 2010.
6.Горячкин С.В., Мергелов Н.С., Таргульян В.О. Генезис и география почв экстремальных условий: элементы теории и методические подходы // Почвоведение. 2019. № 1.
7.Горячкин С.В. География экстремальных почв и почвоподобных систем // «Вестник РАН» тематический выпуск по проблемам географии» 2022. Т. 92. № 6.
8.Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении: учебник. М., 3-е изд., 2009.
9.Дымов А.А. Сукцессии почв в бореальных лесах Республики Коми // М., 2020.
10.Классификация и диагностика почв России. Под ред. Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедевой и М.И. Герасимововой. Смоленск, 2004.
11.Мелехов И.С. Влияние пожаров на лес. Учебное пособие. М., Л., 1948.
12.Попов С.Ю., Пучнина Л.В. Карта нарушений растительного покрова Пинежского заповедника с конца XVIII по начало XXI веков // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 1.
13.Семиколенных А.А., Спиридонова И.А., Туюкина Т.Ю., и др. Экстремальные экосистемы и почвы открытых гипсово-карстовых ландшафтов тайги европейского севера М., 2015.
14.Таргульян В.О. Теория педогенеза и эволюции почв М., 2019.
15.Чевычелов А.П., Шахматова Е. Ю. Постпирогенные полициклические почвы в лесах Якутии и Забайкалья // М.: Почвоведение. 2016. № 2.
16.Abney R.B., Berhe A.A. Pyrogenic carbon erosion: implications for stock and persistence of pyrogenic carbon in soil // Frontiers in Earth Science. 2018. Vol. 6.
17.Carcaillet C., Thinon M. Pedoanthracological contribution to the study of the evolution of the upper treeline in the Maurienne Valley (North French Alps): methodology and preliminary data // Review of Palaeobotany and Palynology. 1996. Vol. 91. № 1-4.
18.Carcaillet C., Boulley B., Carcaillet F. Once upon a time biomass burning in the western Alps: Nesting effects of climate and local drivers on long-term subalpine fires // Forest Ecosystems. 2022. Vol. 9
19.Certini G. Effects of fire on properties of forest soils: a review // Oecologia. 2005. Vol. 143. №1.
20.Gaboriau D.M., Asselin H., Adam A. A. et al. Drivers of extreme wildfire years in the 1965–2019 fire regime of the Tłı̨chǫ First Nation territory, Canada // Ecoscience. 2022.
21.Moody J.A., Martin D.A. Forest Fire Effects on Geomorphic Processes // Fire Effects on Soils and Restoration Strategies / Eds. A. Cedra and P.R. Robichaud. Science Publishers. 2009. Vol. 5.
22.Robichaud P.R. Post-fire Stabilization and Rehabilitation // Fire Effects on Soils and Restoration Strategies / Eds. A. Cedra and P.R. Robichaud. Science Publishers, 2009. Vol. 5.
23.Shakesby R.A., Doerr S.H. Wildfire as a hydrological and geomorphological agent // Earth-Science Reviews, 2006 Vol. 74. № 3-4.
24.Ubeda X., Outeiro L.R. Physical and Chemical Effects of Fire on Soil // Fire Effects on Soils and Restoration Strategies / Eds. A. Cedra and P.R. Robichaud. Science Publishers. 2009. Vol. 5.
25.Walker X.J., Howard B.K., Jean M. et al. Impacts of pre-fire conifer density and wildfire severity on ecosystem structure and function at the forest-tundra ecotone // PLoS ONE. 2021. Vol. 16. № 10.