Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы лесных пожаров и постпирогенного восстановления сосновых насаждений 10
1.1. Лес как тип наземных экосистем, его биологические и экологические особенности 10
1.2. Pinus sylvestris L. как лесообразующая порода. Особенности искусственных сосновых насаждений 11
1.3. Сосновые леса Самарской области 17
1.4. Лесная пирология как наука 23
1.5. Причины лесных пожаров и факторы, усиливающие пожароопасность в лесах 26
1.6. Воздействие пожара на лесные фитоценозы 29
1.7.Пожароопасность сосновых лесов и особенности
постпирогенных процессов них . 33
1.8. Лесные пожары на территории Самарской области.
Пожароопасность Красносамарского лесничества 45
1.9. Демутации как вид восстановительной сукцессии 50
ГЛАВА 2. Условия, объекты и методы исследования 53
2.1 Физико-географическая характеристика района исследований . 53
2.2. Выбор и закладка пробных площадей . 67
2.3. Объекты исследований и изучаемые показатели . 72
2.4. Методы исследований 74
2.4.1. Почва . 74
2.4.2. Лесная подстилка 77
2.4.3. Травянистый покров 77
2.4.4. Древостой . 82
2.4.5. Семенное возобновление 84
2.4.6. Кустарниковый ярус . 84
2.4.7. Лихенофлора 84
ГЛАВА 3. Постпирогенная динамика почв и лесной подстилки в сосновых насаждениях 86
3.1. Строение почвенного профиля 86
3.2. Реакция почвенного раствора . 88
3.3. Содержание органического углерода в почве . 91
3.4. Активность почвенной каталазы . 95
3.5. Качественный анализ ионного состава (Cl-, SO42-, Ca2+) водной вытяжки изучаемых почв . 97
3.6. Влияние пожара на фракционный состав, строение и мощность лесной подстилки 99
ГЛАВА 4. Состояние травянистого покрова на го ревших и контрольных пробных площадях 108
4.1. Влияние пожара на видовой состав травостоя 108
4.2. Биоэкологическая характеристика травянистых растений пробных площадях 123
4.3. Влияние пожара на встречаемость видов травянистых растений 152
4.4. Площадь проективного покрытия травостоя 162
ГЛАВА 5. Влияние низового пожара на древостой сосняков и семенное возобновление сосны . 171
5.1. Жизненное состояние горевших и контрольных сосновых
насаждений в Красносамарском лесном массиве 171
5.2. Семенное возобновление сосны на гарях 179
ГЛАВА 6. Влияние пожара на кустарниковый ярус сосновых насаждений 186
ГЛАВА 7. Влияние пожара на лихенофлору изу чаемых сосновых насаждений 193
заключение 201
выводы 206
Рекомендации по послепожарному восстановлению искусствен
ных сосновых насаждений Красносамарского лесного массива 207
Список использованной литературы
- Pinus sylvestris L. как лесообразующая порода. Особенности искусственных сосновых насаждений
- Объекты исследований и изучаемые показатели
- Активность почвенной каталазы .
- Влияние пожара на встречаемость видов травянистых растений
Pinus sylvestris L. как лесообразующая порода. Особенности искусственных сосновых насаждений
Палеоботанические сведения о порядке сосновые (Pinales) имеются с позднего триаса. В него входит одно семейство Pinaceae, широко распространенное в северном полушарии и одно из самых крупных среди хвойных (Сергиевская, 1988). Хорошо изучена анатомия и морфология сосны. Это дерево высотой 20-40 м и диаметром ствола до 1 м с высоко поднятой, сквозистой конусовидной, а затем округлой широкой кроной с горизонтально расположенными в мутовках ветвями (Гроздова, 1986; Сергиевская, 1988).
Ареал сосны обширный, она встречается в европейской части России, на Урале, в Сибири, по всей лесной зоне и участкам в лесостепной и степной зонах, доходит до бассейна р. Алдан и среднего течения р. Амура на востоке. Сосна образует большие лесные массивы на равнине, поднимается в горы до 700-1200 м над уровнем моря. Она распространена также в странах Европы, в Монголии и Китае (Рысин, 1975). Сосна характеризуется длительностью генеративного цикла. В отличие от ели, развитие семян у сосны происходит примерно через 13 месяцев после опыления (Федорков, 1999). Корневая система стержневая. Плодоношение начинается с 15 лет, в насаждениях – с 40 лет, обильные урожаи наиболее выражены – через 3-7 лет (Тараканов, 2001). Важную роль в процессе размножения этой породы играет ветер. (Гроздова, 1986; Анучин и др., 1986; Петров, 1986).
Многие авторы отмечают высокую устойчивость сосны к неблагоприятным природным условиям (Федорков, 1999). Сосну довольно часто называют двойным ксерофитом, поскольку это дерево развивает мощную корневую систему, которая располагается как в глубоких, так и в поверхностных слоях почвы. Такое положение дает возможность корням использовать дождевую воду с поверхности и грунтовые воды с больших глубин. С другой стороны, сосна очень экономно расходует накопленную влагу, так как хвоинки по своей поверхности значительно меньше листовых пластинок (Рысин, 1975).
Как основной лесообразователь сосна широко используется в лесокультурой практике во всех климатических зонах. В разных частях ареала учеными выделены разновидности сосны, морфологические и экологические формы (Стрелковский, 2004). Сосна обыкновенная - одно из самых распространенных деревьев в нашей стране. Исследования показывают, что эта по-12
рода очень неприхотлива к почве. Сосна может произрастать на сухих песках и моховых болотах, на голых меловых склонах, на гранитных скалах. Проведенные опыты показали, что молодые сосны могут расти несколько лет, не получая из почвы азотных соединений, что губительно для других древесных пород (Федорков, 1999). Особенностью сосновых лесов является их приуроченность к легким по механическому составу наносам – пескам и супесям, поэтому распространение их строго эдафически обусловлено. Наиболее значительные массивы они образуют вдоль крупных рек и озер на обширных пространствах низменных равнин, перекрытых песчаными и супесчаными водно-ледниковыми отложениями (Рысин, 1975).
В литературных источниках отмечается светолюбивость сосны. Она не выносит затенения. Как и другие светолюбивые породы, сосна имеет рыхлую, ажурную крону, которая пропускает много света (Вересин и др., 1963; Гроздова, 1986; Терентьев, Матвеев, 1991; Бабков, 2004). Сосна является важным компонентом ландшафта, образуя сухие и светлые леса в северной и средней части нашей страны (Рысин, 1975).
Древесную породу, которая произрастает совметно с лесообразующей породой во 2-3 ярусах в научной литературе принято называть сопутствующей. В качестве сопутствующей породы могут выступать как деревья, так и кустарники. Для сосновых древостоев такими породами могут являться лещина, липа, клен, рябина. Наиболее важен правильный подбор сопутсвую-щих пород при создании искусственных лесонасаждений. Отмечено, что в грамотно составленных смешанных насаждениях сосна отличается большей производительностью и устойчивостью к неблагоприятным факторам. Сопутствующие породы выполняют почвозащитную функцию, участвуют в формировании лесной подстилки (Морозов, 1949; Сукачев, 1964; Молчанов, 1971).
Продолжительность жизни сосны в среднем составляет 150-200 (иногда 400) лет. Сосна образует чистые насаждения и растет совместно с елью, березой, осиной, дубом. Она нетребовательна к почвам, занимает часто пески и болота. Отличается светолюбием, хорошо возобновляется на лесосеках и пожарищах (Вересин и др., 1963; Гроздова, 1986; Терентьев, Матвеев, 1991; Бабков, 2004).
Основу флоры сосновых лесов составляют бореальные виды; большая часть их имеет широкие ареалы (голарктический, евроазиатский, евросибир-ский); на западе встречаются европейские бореальные виды, на востоке – сибирские. Наряду с бореальными большая роль принадлежит гипоарктиче-ским видам. В широколиственно-сосновых лесах произрастают некоторые неморальные, южноборовые и лугово-степные виды. Для большинства сосновых лесов характерна простая структура: в I ярусе – сосна, иногда небольшая примесь других пород; подлесок обычно отсутствует; II ярус образуют кустарнички и травы; III – мхи и лишайники (Морозов, 1949; Сукачев, 1964; Молчанов, 1971).
Биологический феномен смены лесных пород был раскрыт в работах Г.Ф.Морозова (1949). Возможными причинами смены пород могут стать длительное изменение климата, засуха, сильные ветра, морозы, эрозия почв, воздействе огня, рубок, загрязнение атмосферы и др. Длительные сукцессии могут происходить в течение 150 лет, когда одни лесообразовательные породы постепенно сменяются другими из-за воздействия внутренних факторов (Морозов, 1949).
И.С. Мелеховым (1938) описана смена сосны елью на поспирогенных пространствах. Смена соны елю и наоборот характерна для регионов, расположенных севернее Самарской области (Морозов, 1949; Сукачев, 1964; Молчанов, 1971). Смена сосны березой и осиной характерна для Самарского региона. Это происходит, когда на нарушенных огнем почвах происходит разрастание травостоя, препятствующего возобновлению сосны. Большая в десятки раз производительность березы и осины обеспечивает их перенаселенность на гари, что ведет к угнетению сеянцев сосны. Однако со временем травянистый покров становится более редким, и выживший самосев сосны ускоряется в развитии
Объекты исследований и изучаемые показатели
Зональным типом растительности в Красносамарском лесном массиве являются разнотравно-типчаково-ковыльные степи. Они занимают значительные площади на выровненных участках арены, где представлены псамофильным вариантом (песчаные степи), а также на наиболее возвышенных участках поймы (Природа…, 1990; Матвеев, Терентьев, 1990).
Под влиянием антропогенного фактора растительный покров Красносамарского лесного массива подвергается значительной трансформации. В 2008 году флористическое разнообразие массива было изучено специалистами кафедры экологии, ботаники и охраны природы Самарского государственного университета (Корчиков, Прохорова и др., 2010).
В результате проведённых исследований было установлено, что в Красносамарском лесном массиве обитают 600 видов и 2 гибрида сосудистых растений из 325 родов и 84 семейств, относящихся к 4 отделам, что составляет около третьей части от видового разнообразия всей территории Самарской области (1703 вида) (Сосудистые растения…, 2007). Из 129 семейств высших растений Самарской области здесь представлено 65,1%, а из 578 родов – 56,1%, то есть, более половины! Наблюдаемое высокое флористическое разнообразие на такой малой территории можно объяснить контрастностью местообитаний (резкий переход от поймы реки к разнотравно-типчаково-ковыльным степям), обилием экотонных сообществ, а «неравновесные системы», как правило, характеризуются большим разнообразием, чем «равновесные», в которых сильнее выражены доминирование и конкурентное исключение.
Исследования показали, что Красносамарский лесной массив, отличающийся таким богатством видов, родов, семейств и отделов сосудистых растений, относящихся к разным экологическим группам и жизненным стратегиям, несомненно, требует соответствующего уровня охраны как особо ценного резервата флористического биоразнообразия (Корчиков, Прохорова и др., 2010).
Красносамарский лесной массив, характеризуется большим разнообразием представленных на его территории сообществ – искусственные сосняки и разнотравно-типчаково-ковыльные песчаные степи, естественные осиновые и березовые колки, липовые и чернокленовые дубняки. Массив окружен степями и является не только естественным убежищем для лесных видов растений и животных, но и уникальным центром их расселения в создаваемые в степной зоне человеком искусственные лесопосадки (Матвеев, Терентьев, 1990).
Наличие в лесонасаждениях нормальных ценопопуляций луговых или степных видов, доля участия которых в сложении травостоя превышает 20 %, свидетельствует о том, что в них параллельно протекают два разнонаправленных сукцессионных процесса: олесение (становление лесного сообщества, «сильватизация» по А.Л. Бельгарду (1971)), и олуговение (становление лугового сообщества) или остепнение (становление степного сообщества). Никакой сопряженности или ассоциированности между древостоем и травостоем, которые являются правилом для гумидных лесов (в лесной зоне), здесь не проявляется (Корчиков, 2011). В данном случаем мы имеем дело с открытыми для проникновения новых видов растительными сообществами, которые представляют собой лес и луг или лес и степь одновременно (Матвеев, Филиппова, Демина, 1995). Такого рода леса впервые были описаны В.В. Докучаевым и названы «травянистыми лесами», формирующими серые лесные почвы (Матвеев, Филиппова, Демина, 1995). Их широкое и преобладающее распространение в степной зоне было установлено неоднократно (Сидорук, 1952; Бельгард, 1971; Природа Куйбышевской области, 1990).
Лесные насаждения в Красносамарском лесном массиве имеют преимущественно экотонный характер: древостой в них, несомненно, лесной, а состав кустарникового яруса и травостоя отражает формирование степного и лугового сообществ. Это, так называемые, лесные амфиценозы (биоценозы, сложенные видами, относящимися к жизненным формам, более свойственным другим, обычно соседствующим, типам растительности - сообщества лесотундры, лесостепи, полупустыни и др. (Бельгард, 1971) с неопределенной сукцессионной судьбой (Матвеев, 2009).
В пойме на аллювиальных луговых насыщенных почвах широко представлены заливные луга, которые при увеличении почвенного увлажнения на лугово-болотных почвах переходят в низинные рогозово-осоковые болота, а на более возвышенных участках – в остепненные луга, в которых при доминировании луговых мезофитов значительно возрастает доля участия степных ксерофитных видов (Матвеев, Терентьев, 1990).
Экстразональные местообитания на арене и в пойме с благоприятным почвенным увлажнением являются местом произрастания естественных лесов. В пойме они представлены главным образом чернокленовыми дубняками, а также липово-вязовыми дубравами, осинниками, вербняками, осокорниками, ольшаниками.
Пойменные лесонасаждения не испытывают существенного недостатка влаги, условия атмосферного увлажнения для лихеносинузий характеризуются относительным постоянством (Корчиков, 2011). В выровненных понижениях арены, а также на переходном склоне от арены к пойме на лугово-черноземных почвах встречаются луговые степи, которые при доминировании степных ксерофитов характеризуются значительной примесью луговых мезофитных видов.
Активность почвенной каталазы .
Ферментационный слой. На всех дополнительных вариантах гарей зафиксированна меньшая мощность ферментационного слоя подстилки, что свидетельствует о неполном воссстановлении механизмов деструкции опадного слоя (Рис. 3.6.5). Наименьшее значение гумусного слоя зафиксированно в варианте №3, наибольшее – в варианте №1. Очевидно, что в варианте №3 – сосновом насаждении с высокой степенью затененности и малочисленным травостоем процессы деструкции опада слабо выраженны. Это проявляется в формировании менее мощных ферментационного и гумификационного слоев. Максимальная мощность ферментационного слоя, как на гари, так и в контроле, была зафиксирована в вариантах №1 и №2, представляющих собой осветленные сосновые насаждения на границе с лугово-степными фитоценозами, где отмершие части травянистых растений скапливаются в больших количествах.
Гумификационный слой. Во всех дополнительных вариантах гарей наблюдали достоверно более низкую мощность гумификационного слоя по сравнению с контролем (Рис. 3.6.6). Наименьшая разница с контрольным значением была зафиксированна в варианте №4 (чистое сосновое насаждение полуосветленной структуры со слабым задернением). В данном варианте установился баланс между расходом и поступлением органического вещества в рассматриваемом слое подстилки, поэтому скорость восстановления гумификационного слоя была максимальной. Максимальные различия между контролем и гарью выявили в варианте №1. Разницу между контрольным значением и опытным в вариантах №1, 2 и 5 можно объяснить тем, что данные насаждения осветленной структуры находятся на границе с лугово-степными фитоценозами. Постпирогенный период для них характеризовался интенсивным развитием травостоя и значительным расходом гумуса. В варианте №3 – гумификационный слой менее мощный по сравнению с контролем, что может быть обусловленно не интенсивностью его расхода, как в вариантах №1, 2 и 5, а напротив, замедленностью процессов деструкции опадного и ферментационного слоев.
Одним из компонентов искусственных насаждений является живой напочвенный покров. К специфичным чертам травянистого покрова искусственных лесных фитоценозов относятся: слабая вертикальная расчлененность; простота горизонтального сложения, часто носящего раздельно-зарослевой и пятнисто-зарослевой характер; высокая мозаичность и слабая флористическая насыщенность. Характерной особенностью горизонтального сложения травянистого покрова насаждений следует считать его мозаичность, которая рождается в результате различной плотности и сомкнутости крон, микрорельефа, воздействия человека и т.д. Травостой чутко реагирует на изменение лесорастительных условий (плодородие, увлажнение), состояние самих насаждений (световой режим, специфическое влияние древесных пород) и таким образом, играет определенную индикаторную роль (Бельгард, 1971; Ковылина и др., 2011).
Видовой состав – очень важный признак сообщества. Он определяет специфику и внешний вид биогеоценоза. Видовой состав растительных сообществ на гари отличается от контроля. Различия, прежде всего, касаются числа видов и состава доминантов. Чаще всего сообщества полидоминантны, но именно разные доминанты в их составе определяют облик ассоциаций. Нередко меняются даже эдификаторы – средообразующие и составляющие основу сообщества виды (Комарова, 1979; Куприянов, Трофимов, Заболоцкий, 2003).
Стационарные пробные площади
В результате наблюдений, осуществленных в период 2006-2011 гг., было установлено, что в пределах горевшей пробной площади имеются участки, подвергшиеся действию огня различной интенсивности. Выявлено, что восстановление растительности уже в первые два года после пожара имеет мозаичную структуру. Участки с максимально прогоревшей лесной подстилкой, наиболее густо покрыты травянистыми растениями. Доля проективного покрытия трав на этих участках достигает 90 %.
При пожаре повреждаются дерновины некоторых злаков (Bromopsis inermis (Leyss.), Holub (кострец безостый), Calamagrostis epigeios (L.) Roth. (вейник наземный), Festuca polesica Zapal.(овсяница полесская) и др.). Наиболее устойчивы к воздействию пожара многолетники (Asparagus officinalis L, (аспарагус лекарственный), Taraxacum officinale Wigg. (одуванчик лекарственный), Veronica spicata L.(вероника колосистая) и др.), у них происходит лишь приостановка в развитии на время, пока надземная часть восстанавливается из подземного корневища. Однолетники (Cannabis sativa L. (конопля посевная), Chenopodium album L. (Марь белая), Solanum dulcamara L. (паслен сладко-горький) и др.) вместе с семенами почти полностью уничтожаются пожаром. Высокая степень присутствия однолетников на постпирогенном пространстве уже в первые месяцы после воздействия огнем объясняется занесением семян данных видов из ближайших лугово-степных фитоценозов, как правило, анемохорным и зоохорным путями.
В целом на протяжении 6 лет после пожара число видов на гари превышает число видов в контроле. Но если колебание численности видов травянистых растений на гари имеет ярко выраженный максимум (2007 г), то видовой состав контрольной пробной площади менее динамичен (Рис.4.1.1).
После пожара в течение 2006-2008 гг. количество обнаруженных видов травянистых растений на данной территории варьировало по периодам наблюдений. Пик видового разнообразия приходится на второй год после пожара (2007 г.). Лесная подстилка, препятствующая прорастанию и развитию семян трав, частично или полностью прогорела; почва обогатилась зольными элементами. Как следствие этого, происходит активное заселение и развитие трав, проникнувших на горевшую территорию извне. Но в последующие годы ситуация меняется. Доминирование злаковых (Elytrigia repens (L.) Nevski (пырей ползучий), Calamagrostis epigeios, Bromopsis inermis) и сорных (Chelidonium majus L. (чистотел большой), Chenopodium album, Berteroa incana (L.) DC (икотник серый)) растений снижает видовое разнообразие травянистого покрова гари (табл.4.1.1).
Влияние пожара на встречаемость видов травянистых растений
Комплексным показателем оценки лесорастительных условий является состояние естественного возобновления. Факторами, обусловливающими успешность естественного возобновления, являются температура почвы, ее режим влажности, травянистый покров, степень освещенности.
Влияние пожаров на лесовосстановительный процесс давно является предметом изучения (Валендик, 1996). Широкий круг аспектов этой темы, в том числе относительно сосновых лесов, прведен в монографии В.В. Фуряева (1996). Им проанализирован весь комплекс изменения экологических условий на гарях с позиции дальнейшего самовосстановления. Другие ученые отмечали полное уничтожение огнем травянистого покрова, бурелома и древесного яруса, что приводило к повышению освещенности на гарях (Сапожников, 1973), повышало проникновение атмосферных осадков в почву, изменяло температурный режим почвы (Фуряев, 1974), а также оказывало влияние на соленакопление в почвах и направление почвообразовательного процесса (Арефьева, Колесников, 1964; Сапожников, 1973).
В литературных источниках отмечается уменьшение проточности и возрастание аллювиальности на гарях. По наблюдениям С.Н. Санникова (1973), наиболее значимым последствием пожаров является увеличение влажности лесной подстилки. Это положительно сказывается на прорастании семян хвойных пород. Увеличение влажности почвы на глубине 5-15 см способствует успешному выживанию всходов. В то же время В.В. Фуряев (1996) отмечает, что после пожара с высокой интенсивностью горения в природных комплексах с сухими экотопами на бедных песчаных почвах происходит резкое падение влажности, в том числе и на локально сохранившихся участках с лесной подстилкой.
Таким образом, пожары приводят к значительному измениению экологических условий на горевших пространствах. Процессы естественного лесовосстановления в целом зависят от напряженности постпирогенных факторов.
Наиболее сложными для самовосстановления являются сосняки, находящиеся на границе распространения сосны в степной зоне. Здесь восстановление идет крайне медленно и с наибольшими затруднениями (Куприянов и др., 2006).
Стационарные пробные площади
В результате полевых исследований было установлено, что в пределах одной горевшей пробной площади имеются участки, подвергшиеся действию пожара различной интенсивности, а значит и с различной густотой травостоя. Наиболее густой травостой наблюдается в местах, где лесная подстилка максимально прогорела и высота подпалин деревьев достигла более 1,5 м, наиболее редкий в местах, где подстилка практически не уничтожена, высота подпалин деревьев составляет не более 0,5 м, здесь и прорастание, и развитие трав затруднено. Площади, подвергшиеся среднему по силе воздействию огня с высотой подпалин деревьев 1,5 м, покрыты травостоем средней степени густоты.
На участках поврежденных огнем средней интенсивности больше всего 5-летних сеянцев. Они многочисленны и хорошо развиты. Очевидно, что семенное возобновление сосны на этих участках идет весьма успешно.
На участках, сильно поврежденных огнем, проростки практически не обнаружены. Семенное возобновление здесь затруднено густым травостоем.
На участках со слабо прогоревшей лесной подстилкой наблюдали большое количество проростков, однако, не обнаружили растений более позднего возраста.
Как показали наблюдения, семенное возобновление сосны имеет мозаичный характер и лучше всего идет на участках, с частично прогоревшей лесной подстилкой. Поскольку слабое воздействие огня не разрушает подстилку и таким образом препятствует прорастанию семян сосны. Сильное пламя уничтожает подстилку полностью, что впоследствие ведет к зарастанию травостоем, который заглушает и угнетает всходы сосны. Наиболее благоприятным для развития и зимовки сеянцев является моховой субстрат.
Оценка семенного возобновления сосны показала, что густой травостой на горевшей площади и, в частности злаки, крайне угнетающе действуют на всходы сосны. Однако воздействие на всходы травянистых растений все же имеет дифференцированный характер. В наших исследованиях установлено, что особенно подавляет их густая глубоко проникающая корневая система пырея и других злаков. В присутствии однолетних трав с поверхностной корневой системой всходы развиваются довольно успешно, поскольку срабатывает эффект притенения, так необходимый в первые годы жизни сеянца.
Большие открытые площади зарастают подростом очень слабо. Появляющийся в этих местах самосев сразу же попадает в неблагоприятные условия существования, обусловленные, с одной стороны, высокими температурами и низкой влажностью воздуха, требующих больших расходов на транспирацию, и, с другой стороны, общей сухостью верхнего горизонта почв. Зачастую высокие температуры поверхности почвы вызывают гибель всходов вследствии ожога корневой шейки. Препятствует появлению самосева сосны и густой травостой, развивающийся в первые годы после пожара (Куприянов и др., 2006).
