Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Закономерности пирогенных сукцессии (литературный обзор)..6
1.1. Основные понятия сукцессии 6
1.2. Пирогенные сукцессии в лесных экосистемах 13
1.3 Роль огня в формировании ленточных боров, их позиционная устойчивость 17
ГЛАВА 2. Объекты и методика исследований 20
2.1. Характеристика мониторинговых полигонов 22
2.2. Методы исследования 24
ГЛАВА 3. Физико-географические условия района исследований 31
3.1. Орография 31
3.2. Климат 36
3.3. Почвы 41
3.4. Растительность 45
3.5. Особенности природопользования (историческая справка). ..48
3.6. Пожары в ленточных борах 51
ГЛАВА 4. Экологические условия на месте гарей 55
4.1. Послепожарные изменения почв и лесной подстилки 55
4.2.Гидротермический режим 64
4.3.Изменение освещенности 71
ГЛАВА 5. Динамика восстановления растительного покрова 74
5.1. Послепожарные изменения в растительном покрове 74
5.2. Динамика встречаемости видов растений 76
5.3. Динамика численности видов растений 89
5.4. Динамика накопления фитомассы видов растений 95
5.5. Динамика экологических групп растений на горельниках...100
5.6. Влияние рельефа на скорость пирогенных сукцессии 107
5.7. Особенности сингенеза под модельным деревом 119
ГЛАВА 6. Механизмы пирогеннои сукцессии в юго-западной части ленточных боров Алтайского края 127
6.1. Стадии пирогеннои сукцессии 127
6.2. Роль мезорельефа в зарастании гарей 131
ВЫВОДЫ 136
ЛИТЕРАТУРА 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 153
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 157
- Основные понятия сукцессии
- Характеристика мониторинговых полигонов
- Особенности природопользования (историческая справка).
Введение к работе
Актуальность проблемы. Пожары в лесах всегда являлись бедствием для лесного хозяйства. Летом 1997 года сильнейшая засуха вызвала серию катастрофических пожаров в лесах Алтайского края. Всего огнем было пройдено 120 тысяч гектаров лесных площадей. Особенно пострадали ленточные сосновые боры в степной части края, где в результате пожаров образовались огромные пятна гарей. Сосновые леса произрастают здесь в чрезвычайных природно-климатических условиях и их восстановление сопряжено с огромными трудностями.
На конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) в принятой "Повестке дня на XXI век" большое внимание уделяется рациональному использованию уязвимых экосистем, в частности - борьбе с опустыниванием, а также борьбе с обезлесением.
По классификации Н.Б. Ермакова (1999) это сосновые леса класса Pulsatillo-Pinetea ассоциации Carici supinae-Pinetum sylvestris (Тополинский лесхоз) и класса Vaccinio Piceetea ассоциации Cladonio-Pinetum sylvestris и Carici ericetori- Pinetum sylvestris (Волчихинский лесхоз). Степень повреждения их огнем во время пожаров значительна и восстановительный процесс в большинстве случаев начинается с нуля. Особый научный интерес вызывает начальные стадии сукцессионного послепожарного процесса, который для ленточных боров практически не был изучен.
Научной проработкой основ возобновления ленточных боров занимались многие ученые (Месоед, 1934; Смирнов, 1934, 1966; Грибанов, 1960; 1975; Парамонов, Ишутин, 1999; Ишутин, 2000; Заблоцкий, 2000). Однако этот процесс был прослежен в основном в лесоводственном отношении. Не был детально изучен видовой состав и структура послепожарных сообществ. Отрывочны сведения о гидротермическом режиме почв гарей в ленточных борах. Отсутствуют сведения о скорости и времени начальных этапов возобновительной сукцессии на горельниках южной части ленточных боров. Поэтому чрезвычайно актуально было
4 проследить начальные стадии вторичной пирогенной сукцессии на гарях в юго-западной части ленточных боров Алтайского края.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение начальных стадий пирогенных сукцессии травянистого растительного покрова юго-западной части ленточных боров Алтайского края. Для достижения этой цели решались следующие задачи: * обобщение сведений о пирогенных сукцессиях в различных типах леса и особенно в сосновых борах изучение динамики встречаемости видов растений изучение динамики численности видов растений исследование особенностей накопления фитомассы на гарях изучение влияния экологических факторов на скорость пирогенной сукцессии ь установление закономерности протекания послепожарного сукцессионного процесса растительного покрова горельников.
Научная новизна. Впервые на больших площадях гарей в юго-западной части ленточных боров Алтайского края проведено изучение сингенеза травянистой растительности. Изучены начальные стадии пирогенных сукцессии растительного покрова. Установлено, что скорость и направленность пирогенной сукцессии в ленточных борах зависит от мезорельефа и экологических условий на месте гарей.
Защищаемые положения. 1) Направленность и особенности вторичной послепожарной сукцессии в юго-западной части ленточных боров Алтайского края определяются их зональным расположением. 2) Для прохождения начальных стадий демутации травянистого растительного покрова юго-западной части ленточных боров достаточно 5 лет после пожара. ' Объекты и методы исследования. Объектами исследований являлись участки сгоревшего остепненного и лишайникового соснового бора, і расположенные в юго-западной части ленточных боров (Тополинский и
Волчихинский лесхоз): квартал в сгоревшей части леса (опыт) и квартал леса не затронутый пожаром (контроль). Внутри кварталов были выбраны и
5 заложены пробные площадки общей площадью 3000 м2. Состояние растительного покрова на них определялось стандартными геоботаническими методами: метод геоботанических описаний, метод учетных площадок (Александрова, 1969; Воронов, 1983). Основополагающим был метод непосредственного наблюдения за ходом смен (Сукачев, Зонн, 1961; Юнатов, 1964; Грейг-Смит, 1984).
Всего было сделано 127 геоботанических описаний, обследовано 4000 учетных площадок, собрано 500 листов гербария.
Практическая ценность работы. Практическое значение работы заключается в эколого-ботаническом обосновании производственных работ по созданию лесных культур на горельниках в юго-западной части ленточных боров Алтайского края.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Южно-Сибирской международной конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири - 2000 год» (Абакан, 2000), научно-технической конференции «Обеспечение продовольственной и экологической безопасности человечества - важнейшая задача XXI века» (Оренбург, 2000), конференции молодых ученых «Исследования молодых ботаников Сибири» (Новосибирск, 2001), международной конференции «Проблемы лесоводства и лесовосстановления на Алтае» (Барнаул, 2001), международной конференции «Леса Евразии в III тысячелетии» (Москва, 2001), международной конференции «Антропогенное воздействие на лесные экосистемы» (Барнаул, 2002).
По теме диссертации опубликовано 9 работ.
За помощь в выполнении работы выражаю свою искреннюю благодарность д.б.н. Куприянову А.Н., д.с.-х.н. Трофимову И.Т, д.с.-х.н. Парамонову Е.Г. Отдельное спасибо всем работникам Тополинского и Волчихинского лесхозов, оказавших, помощь при проведении полевых исследований, а также сотрудникам АГУ Стрельниковой Т.О., Хрусталевои И.А., Масловой О.М., Герману Д.А., Давыдову Е.А., Ножинкову А.Е., Мунгалову Е.А.
Основные понятия сукцессии
Хотя смены растительных сообществ изучали и в прошлом столетии (Hult, 1885; Cowles, 1899), основные понятия явлений сукцессии и соответствующая терминология были сформулированы в начале нашего века Клементсом (Clements, 1916, 1928).
Основные сукцессионные ряды, по Клементсу, начинаются с формирования примитивных ценозов и, проходя через ряд сообществ, завершаются наиболее устойчивыми в данном климате "климаксовыми сообществами ХСДететХ 1916).
Ссылки на многочисленные последующие исследования сукцессионных рядов в разных местообитаниях приведены во многих сводках (Работнов, 1978; Одум, 1986).
В последние десятилетия были попытки разработать общую теорию экологических сукцессии (Hutchinson, 1957; MacArtur, Connel, 1966; Одум, 1986). Были установлены основные изменения, происходящие в структурных и функциональных характеристиках сменяющихся сообществ (энергетики, продуктивности, разнообразии и др.), но недостаточно освещены важнейшие причины сукцессионного развития, совокупность которых и составляет сущность сукцессионного процесса.
В основе теории сукцессии лежат три представления: 1) экологическая сукцессия - это последовательный процесс развития, который является упорядоченным и направленным; 2) сукцессии происходят в результате изменения абиотической среды под влиянием сообщества; 3) сукцессии продолжаются до тех пор, пока не установится сочетание видов, наиболее соответствующее региональному климату и местоположению (Odum, 1968; Уиттекер, 1980; Одум, 1986).
Различают первичные сукцессии, начинающиеся на субстратах не затронутых почвообразованием (скальные породы, вновь отложенные аллювии, водоемы), в процессе которых формируются не только фитоценозы, но и почва, и вторичные сукцессии, происходящие на месте сформировавшихся биоценозов после их нарушения (в результате эрозии, вулканических извержений, засухи, пожара, вырубки леса и т. п.).
Сукцессии разделяются на два типа: автогенные и аллогенные (Воронов, 1983; Ипатов, Кирикова, 1999; Миркин, Наумова, 2002). Автогенные сукцессии вызываются внутренними факторами и продолжаются до тех пор пока сообщество не достигнет стадии климакса. Этот процесс может протекать быстро - сингенез (сукцессия на залежи, сукцессия после пожара) или медленно - эндоэкогенез (зарастание скальной поверхности). Аллогенные сукцессии вызываются внешними факторами. Если внешний фактор действует локально, на конкретный фитоценоз, то такая сукцессия называется гейтогенезом (выпас в степи, вытаптывание пригородных лесов, эвтрофикация водоемов). Сукцессии, охватывающие целый географический ландшафт, причем сопряженно изменяются многие сообщества, В.Н. Сукачев назвал гологенезом (изменение растительности речной поймы при углублении русла реки и наоборот, изменение ландшафта при строительстве ГЭС. Аллогенная сукцессия продолжается до тех пор, пока действует внешний фактор. Если его действие прекращается, то начинается процесс автогенной восстановительной сукцессии (Миркин, Наумова, 2002).
Кроме того сукцессии разделяются на прогрессивные, в ходе которых повышается продуктивность или видовое богатство (либо то и другое одновремено), и регрессивные, где отмечаются обратные тенденции. По масштабу времени, обратимости, по участию в них человека - природные и антропогенные, по характеру протекания процесса - постоянные и непостоянные.
Обычно при изучении сукцессии главное внимание уделяют смене видов при изменении условий среды, но учитывают регулярную замену сукцессионных видов компонентами более поздних ценозов. Детальные наблюдения над вторичными сукцессиями свидетельствуют о том, что виды господствующие на поздних стадиях, присутствуют с самых ранних этапов сукцессии (Комарова, 1980; Титлянова, и др. 1993; Ипатов, и др., 1996). Это согласуется с моделью "начального флористического состава" вторичных сукцессии Эглера (Egler, 1954).
По теории "реакции" Клементса (Clements, 1916), в смене сообществ преобладающие виды ранних стадий должны "подготовить путь" для видов более поздних стадий. Им были выделены инициальные, серийные и климаксовые виды для сукцессионных рядов. Вместе с тем многие исследования свидетельствуют о том, что ранние виды сукцессионного ряда часто задерживают и подавляют развитие более поздних видов (Комарова, 1980; Василевич, Мотекайте, 1988).
Сукцессионные смены растительных компонентов ценозов по существу сводятся к рассмотрению смен господствующих популяций растений с различными жизненными циклами. Скорость преобразовательных процессов в значительной степени определяется продолжительностью жизни отдельных поколений популяций, особенно эдификаторов. При восстановительных сменах лесных ценозов после пожаров перестройки ценозов шли быстрее на первых стадиях, когда преобладали однолетние и малолетние виды растений (бальзамин обыкновенный, мелколепестник канадский, верблюдка восточная и др.) (Комарова, 1980).
Характеристика мониторинговых полигонов
Внутри квартала (100 га) выделялся пробный участок общей площадью 3000 м2, на котором стандартными геоботаническими методами производился учет и описания состояний растительного покрова (рис. 8,9). Учетные площадки (размером 1 м2) в количестве 100 штук закладывались по трансекте, проходившей по основным элементам рельефа. Геоботаническими описаниями (на площадках 100 м2) также охвачены все элементы дюнного мезорельефа.
Таксационные описания проводились по выделам внутри кварталов в 1992 году лесоустроительной экспедицией. Выделы отражают экологические и лесотипологические условия соснового бора. При этом таксационное описание учитывает следующие параметры: тип леса, состав древостоя, ярусность, бонитет, высоту ярусов, формулу древостоя, подрост, подлесок и др. Поэтому, используя данные, полученные из таксационных описаний, мы можем полнее оценить характер и аспекты восстановления соснового бора, как экосистемы в целом.
В работе указаны типы леса на мониторинговых площадях согласно таксации 1992 года. Расчет площади, занимаемой тем или иным типом леса сделан по количеству выделов квартала с данным типом леса от общего количества выделов.
Тополинский лесхоз.
Угловское лесничество. 42 квартал, контроль, общая площадь 85.0 га. Всего 18 выделов. Из них 50 % занимает сухой остепненный бор пологих всхолмлений, 17 % - свежий бор, 5 % - травяной бор. Остальная площадь занята просеками, дорогами. В пробную площадь вошли выделы: -11. 120 квартал, горельник, общая площадь 111.0 га. Всего - 29 выделов. Из них 83 % площади занимает сухой остепненный бор пологих всхолмлений, 7 % -свежий (западинный) бор. Остальная площадь занята просеками и дорогами. В пробную площадь вошел выдел: -1.
Волчихинский лесхоз. Волчихпнское лесничество. 139 квартал, контроль, общая площадь 124.0 га. Всего 14 выделов. Из них 78 % занято сухим лишайниковым бором пологих всхолмлений, 7 % - свежим (западинным) бором. Остальную площадь квартала занимают просеки и противопожарный разрыв. В пробную площадь вошли выделы: - 14, 16. 138 квартал, горельник, общая площадь 125.0 га. Всего 23 выдела. Из них 52 % - сухой лишайниковый бор пологих всхолмлений, 13 % - свежий (западннный) бор. 4 % - травяной бор. Остальная площадь квартала занята осоковыми и тростниковыми болотцами, просеками, противопожарными разрывами. В пробную площадь вошли выдела: - 5, 6.
Рис. 9. Схематический чертеж отвода площади в Волчихинском лесхозе: 138 квартал опыт, 139 квартал - контроль. 2.2. Методы исследования
В связи с основными направлениями исследований (изучение восстановления растительного покрова соснового бора после пожара) была подобрана методика, позволяющая эффективно собирать полевые данные. В ее основу были положены методы пробных площадей, учетных площадок и метод непосредственного наблюдения за ходом смен (без вмешательства в них исследователя) при стационарном типе геоботанических исследований (Сукачев, 1961; Юнатов, 1964; Грейг-Смит, 1984).
Стационарный тип геоботанических исследований в отличие от маршрутных и детально-маршрутных представляет собой наиболее полный и углубленный тип геоботанических работ. Нами был выбран данный тип исследований как наиболее подходящий для сбора данных на исключенных из лесопользования кварталах соснового бора (горельник и живой лес), позволяющий проводить детальный и многолетний сбор данных. Важнейшей особенностью стационарных работ, при значительном разнообразии конкретных целей, является то, что они преследуют задачу установления теснейших связей между растительным покровом и средой обитания не только в статическом, но и динамическом плане. Одни и те же выбранные объекты (фитоценозы) находятся под длительным (в течении ряда лет) постоянным наблюдением или неоднократно посещаются в течении вегетационного периода. Растительный покров тщательно изучается и анализируется по составу входящих в него видов, возрастным и экологическим группам, структуре, размещению и т. д.
Выбор и заложение пробных площадей.
Недостаточно установившаяся терминология в отношении того, что понимается под специально выделенным для изучения участком фитоценоза (или пробной площадью) и для каких собственно целей он служит требует пояснения.
Было бы целесообразно понимать под "пробной площадью" специально выделенный участок данного фитоценоза, предназначенный для его описания, т. е. выявления всех его характерных черт. Для установления же отдельных, возможно весьма существенных признаков (свойств) фитоценоза, таких например, как, встречаемость, константность, численность, биологическая продуктивность, возрастной состав популяции и т.п., т.е. всех тех признаков, которые требуют применения особых и частично разных для каждого признака способов учета, следовало бы применять термин "учетная площадка".
Особенности природопользования (историческая справка).
История освоения и изучения массивов ленточных боров Алтайского края неразрывно связаны со становлением горнорудной промышленности на Алтае, заселением его переселенцами из центральных регионов России и последующим экономическим развитием. Этот процесс происходил постепенно в течении длительного времени (середина XVIII - конец XX вв.), причем изменялся объем и характер вклада лесного хозяйства в экономику края (Бугаев, Косарев, 1988).
Вопросу истории изучения ленточных боров Алтайского края не посвящено специально каких-либо работ. Однако проанализировав все доступные нам источники мы пришли к выводу о необходимости собрать все имеющиеся сведения и кратко их осветить (П.Н. Крылов, 1916; Труды Лебяжинской ЗОНЛОС, 1934; П.Р. Вангниц, 1953; Л.Ф. Правдин, 1958; Л.Н. Грибанов, 1960; Т.Г. Павлова, 1963; Г.В. Крылов, Н.Г. Салатова, 1969; В.А. Бугаев, 1988; Н.Б. Ермаков, 1999). Исторически процесс изучения ленточных боров можно разбить на ряд этапов:
1. Начало освоения земель Алтая русскими первопроходцами и первыми поселенцами в XVII веке. (Относительно ленточных боров данных очень мало, они носят отрывочный и противоречивый характер).
2. 1-я пол. XVIII - нач. XIX вв. Открытие рудных месторождений на Алтае, быстрый рост и развитие горнорудной промышленности. Интенсивные и бессистемные вырубки лесов, в том числе ленточных боров. Работы К.О. Лаксмана (1768).
3. 1840 г. - первое лесоустройство в ленточных борах. Уточнение границ и картирование. Отвод земель для переселенцев из Европейской части России. 4. Кон. XIX - нач. XX вв. Интенсивное освоение и заселение зоны ленточных боров. Первые детальные обследования растительности ленточных боров: П.Н. Крылов, В.В. Ревердатто, П.В. Коновалов, В.И. Верещагин и др. Второе лесоустройство, охватившее на этот раз всю площадь ленточных боров (1883).
5. 1917-1960 гг. Организация лесничеств, а затем и лесхозов, их реорганизация и пр. Лебяжинская ЗОНлос, первые научно проработанные лесовосстановительные мероприятия. В.Н. Сукачев, Л.Н. Грибанов, В.Е. Смирнов - выделение сосны кулундинской, изучение особенностей ее роста и восстановления, пожароустойчивость и др.
6. Современный этап изучения ленточных боров.
Ленточные боры расположенные в пределах Приобского плато и Кулундинской степи определяют специфику экономических отношений в этой части Алтайского края. Так общая площадь зоны ленточных боров составляет 85,6 тысяч км2, или около 1/3 общей площади края. Это пространство представлено в основном равниной с удобным местоположением тяготения к центральной части края и остальным районам Западной Сибири.
Сельскохозяйственное освоение территории региона проходило по мере развития хозяйства с первой половины XVIII в. и до середины XIX в. в связи с развитием горнорудной промышленности. Основную массу крестьянского населения в то время составляли приписные к заводам крестьяне. В 70-х годах XIX в. начинается значительное переселенческое движение крестьян из европейской России. В связи с ростом населения увеличиваются посевы зерновых культур, поголовье животноводства. Неодинаковым был характер заселения территории. Во второй половине XIX в. интенсивнее осваивались земли восточных районов Кулундинской степи, а в начале XX в. идет освоение западной засушливой части региона.
В результате освоения целинных и залежных земель посевные площади в крае значительно расширяются. Если в 1940 г. они занимали 3,7, то в 1960 г. - 7,6 млн. га (Бугаев, Косарев, 1988). Это прибавка произошла преимущественно в Кулундинскои степи. В советский период сельское хозяйство развивалось по экстенсивному пути, направленному на расширение площадей пахотных угодий. В настоящее время агропромышленный комплекс переходит на интенсивный способ ведения хозяйства. Лесное хозяйство, тесно связанное с сельским, вносит посильный вклад в развитие агропромышленного комплекса.
На. долю ленточных боров приходится 16% (1101,3 тыс. га) общей площади лесов Алтайского края и 15% общего запаса древесины (Бугаев, Косарев, 1988). В развитии лесного хозяйства ленточных боров большую роль сыграло лесоустройство как в деле получения сведений о состоянии лесного фонда, так и в разработке лесохозяйственных мероприятий. Лесоустройства проводились: 1840 г., 1883 г., 1896-1897 гг., 1908 г., 1927-1929 гг., 1936 г, 1948-1951 гг., 1960-1963 гг., 1970-1976 гг, 1982-1983 гг, 1991-1992 гг, 2001-2002 гг. В результате были получены данные по динамике лесного фонда, менялись границы и размеры кварталов (2x4; 2x2; 2x1; 1x1 км), количество и состав лесничеств и лесхозов. Совершенствовались методы таксации применительно к условиям произрастания ленточных боров, нормативы рубок, точность учета лесов и многое другое.
Несмотря на указанный относительно небольшой удельный вес ленточных боров в лесном фонде края, роль лесного хозяйства данного региона невозможно переоценить. Это прежде всего древесина, которая широко употреблялась в прошлом для развития промышленности, начиная с первого меде- и сереброплавильного завода в Барнауле (1740 г.). Многочисленные поселки и деревни, расположенные в зоне Кулундинскои степи возникли путем использования древесины ленточных боров.
Похожие диссертации на Начальные стадии пирогенных сукцессий в ленточных борах (На примере юго-западной части ленточных боров Алтайского края)
