Fire-Induced Transformation of Organic Matter in Scots Pine Stand in Siberia

Abstract

In forest fires, considerable amounts of carbon are released to the atmosphere, yet part of the biomass is converted to pyrogenic organic matter (PyOM). Little is known about the amount and properties of PyOM in Siberian forests. We studied PyOM generated by a low to moderate severity wildfire in a Scots pine stand in Siberia using thermogravimetry (TG) and differential scanning calorimetry (DSC). DSC and TG of visibly completely charred (blackened) samples of the forest floor (litter layer L), down wood (d<1 cm) and outer bark were carried out in an oxidative atmosphere. The PyOM samples showed a significant loss of thermolabile components and enrichment in thermally recalcitrant aromatic compounds, as well as higher values of activation energy and enthalpy (H) of thermal degradation compared to unburned samples. Thermal characteristics of PyOM derived from various fuel types differed substantially. The litter PyOM was the most thermolabile, i.e. showed the lowest recalcitrance. The down wood and bark PyOM had higher thermal stability due to a greater content of aromatic structures, which was reflected by the thermal recalcitrance indexes (R 50 and Q3). The litter PyOM had a low carbon sequestration potential and therefore was more susceptible to degradation compared to down wood and bark PyOM, which showed an intermediate carbon sequestration potential

При лесных пожарах в атмосферу выбрасывается значительное количество углерода, при этом часть биомассы преобразуется в пирогенное органическое вещество (ПОВ). О количестве и свойствах ПОB в сибирских лесах известно мало. Мы изучили ПОВ, образовавшееся врезультате лесного пожара от слабой до средней силы в сосновом насаждении Сибири, с использованием термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). ДСК и ТГ визуально полностью обугленных образцов подстилки (подгоризонт L), веток на поверхности почвы (d<1 см) и коры деревьев проводились в окислительной атмосфере. Образцы ПОВ показали значительную потерю термолабильных компонентов и обогащение термически устойчивыми ароматическими соединениями, а также более высокие значения энергии активации и энтальпии (ΔH) термодеструкции по сравнению с негоревшими образцами. Выявлены значительные различия в термических характеристиках ПОВ, образованного из различных горючих материалов. ПОВ подстилки было наиболее термолабильным, т.е. показало наименьшую устойчивость. ПОВ веток и коры имело более высокую термическую стабильность из- за бóльшего содержания ароматических структур, что отразилось в индексах термической устойчивости (R50 и Q3). ПОВ подстилки характеризовалось низким потенциалом секвестрации углерода и поэтому является более восприимчивым к деградации, чем ПОВ веток и коры, которое показало средний потенциал секвестрации углерода