Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-географическая характеристика района исследований 6
1.1. Рельеф 6
1.2. Климат 11
1.3. Воды 16
1.4. Почвы 21
1.5. Растительность 26
Глава 2. Современное состояние проблемы лесных пожаров и восстановления сосновых насаждений 33
2.1. Проблема лесных пожаров в сосновых лесах 33
2.2. Воздействие пожара на лесные фитоценозы 40
2.3. Восстановление сосновых насаждений и напочвенного покрова, как компонентов экосистемы сосновых лесов 44
Глава 3. Материалы и методика исследования 50
3.1. Характеристика мониторинговых площадок 50
3.2. Материалы исследований 54
3.3. Методика исследований 56
Глава 4. Изменение экологических условий в экосистеме соснового леса под влиянием пожаров 59
4.1. Послепожарные изменения почв 59
4.2. Гидротермический режим почв 73
4.3. Распределение снежного покрова на гарях 87
4.4. Изменение освещенности на гарях 93
Глава 5. Восстановление лесных фитоценозов после пожара 97
5.1. Лесорастительные условия сосны в условиях Приишимья 97
5.2. Состояние и восстановление растительного покрова после пожара 99
5.3. Естественное лесовозобновление на гарях 136
5.4. Искусственное лесовосстановление 145
Выводы 153
Библиографический список 157
Приложение
Введение к работе
Актуальность темы.
Сосновые боры на территории Приишимья являются особо ценным комплексом лесной растительности. Своеобразная экосистема, сформирована в течение многих столетий в экстремальных почвенно-климатических условиях лесостепи. Их экологическое значение — водоохранное, почвозащитное, санитарно-гигиеническое, рекреационное, а также лесосырьевое — трудно переоценить. Сосновые леса являются своеобразным природным каркасом, опираясь на который, в Приишимье построена система государственных лесных полос, содействующая устойчивому развитию сельского хозяйства региона.
Высокая степень пожароопасности сосновых боров, потребовала от лесхозов усовершенствования системы охраны лесов от пожаров. За последние десятилетия вследствие природных условий и большой антропогенной нагрузки, лесными пожарами сосновым лесам был нанесен колоссальный ущерб — в огне погибло свыше 1841,2. га сосновых лесов.
Широкий круг вопросов влияния на восстановление хвойных лесов приведен в монографии В.В. Фуряева (1996). Им проанализирован комплекс изменения экологических условий с позиции последующего лесовосстановления. Пожары оказывают большое влияние на лесовозобновление (Молчанов, 1934; 1973; Шаргунова и др., 1990).
Таким образом, лесные пожары приводят в первую очередь к значительному изменению экологических условий на гарях, и процесс лесовосстановления во многом зависит от напряженности этих постпирогенных факторов. Поэтому изучение биоценотических комплексов при восстановлении лесных экосистем в экстремальных природно-климатических условиях является актуальной научной проблемой с последующим практическим использованием результатов в конкретных вопросах лесоводства и лесоведения.
Экобиогеоценотическая ценность сосновых боров предопределяет неотложность ускоренного восстановления насаждений на гарях. Сложность биоценотических комплексов, закономерности их развития стимулируют необходимость определения путей и методов облесения гарей. Для этих целей были заложены экспериментальные площадки по проведению комплексных эколого-биологических исследований. Наиболее сложными по восстановлению лесных экосистем являются боры, находящиеся на границе распространения сосны в лесостепной части. Здесь восстановление биоты происходит более медленно и сложно (Баранник, Заблоцкий, 1999; Ишутин, Куприянов, 1999; Заблоцкий, 1999а; 1999б; 1999в; Заблоцкий, Баранник, 2000; Заблоцкий, Куприянов, 2002; Куприянов, Ишутин, 1999).
Цель: исследовать процессы восстановления фундаментальных биоценозов сосновых лесов Приишимья после пожаров, на основе анализа экологических условий на гарях.
Задачи исследований:
- проанализировать всю совокупность экологических факторов на мониторинговых площадках, разных условий местообитания, которые заложены нами на поврежденных и неповрежденных территориях в сосновых лесах Приишимья;
- выявить этапы развития, лесорастительные условия и состояние леса и его средообразующие функции, а также структуру сосновых лесов Приишимья;
- исследовать характер естественного зарастания гарей травянистой и древесной растительностью;
-соотнести принципы эколого-типологической дифференциации лесовосстановительных работ с особенностями изучаемой территории.
Научная новизна. На основе полученных результатов сделан анализ экологических условий, предшествующих восстановлению всего фитоценоза сосновых лесов Приишимья с точки зрения экологических последствий пожаров. Изучены особенности почвенного покрова (его температурный режим, влажность), начальные стадии сингенеза травянистой растительности. Установлено, что лесорастительные условия на гарях неоднородны и определяются в первую очередь особенностями рельефа.
Защищаемые положения:
-
Послепожарные лесорастительные условия лесостепи Приишимья, несмотря на их экстремальную сложность, достаточны для успешного восстановления сосновых лесов на гарях, в соответствии с экологическими особенностями конкретных участков.
-
Флористические послепожарные комплексы имеют в своем составе эксплерентов и виолентов, характерных для каждой климатической зоны.
-
Искусственное лесовосстановление должно опираться на естественные законы и знания биоэкологических условий, которые позволят в сжатые сроки сформировать устойчивые лесные экосистемы на гарях.
Практическое значение работы определяется возможностью использовать наши рекомендации по эколого-лесовосстановительному обоснованию при создании лесных культур на гарях, которые сокращают затраты на лесовосстановление. Результаты работы используются в преподавании дисциплин экологического цикла (общая экология, экологический мониторинг, основы рационального природопользования, биогеография, на основе материала диссертации разработана программа спецкурса «Растительные ресурсы и их сохранность на юге Тюменской области») на биолого-географическом факультете Ишимского государственного педагогического института им. П.П.Ершова.
Апробация работы. Основные положения и отдельные разделы работы были доложены и обсуждены: на научно-практических конференциях «Экология южной Сибири и сопредельных территорий» г. Абакан 24-27 ноября 2004г, 25-28 ноября 2005 г; на I международной конференции «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» г. Кемерово 12-14 апреля 2006г.; XV Ершовских чтениях 2-3 марта 2006 г.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 7 работ, монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем рукописи составляет 174 страницы машинописного текста, в том числе 32 таблицы и 19 рисунков. Библиографический список насчитывает 190 библиографических источника, в т. ч. 15 на иностранном языке.
Рельеф
Территория Приишимья приурочена к Тобол-Ишимскому междуречью - самой древней части Ишимской равнины. Своеобразие суглинистым равнинам Тоболо-Ишимского междуречья придает гривноложбинный рельеф. В типичном виде он проявляется в пределах Ишимской равнины. Длина грив колеблется от 0,9 до 9,0 км, ширина от 0,1 до 1,0 км, высота достигает 10-12 м.
Междуречье отличается довольно сложным строением рельефа и четвертичных отложений, а так же своеобразными условиями залегания покровных лёссовидных осадков. Поверхность междуречья слабо наклонная к северу. Абсолютные высоты большей части междуречья 130 м, местами до 150 м. Относительные высоты междуречья менее 50 м. Склоны междуречья средней высоты на левобережье и крутые на правобережье (крутизной до 20). Своеобразной чертой рельефа междуречья является широкое распространение однообразно ориентированных узких гряд, которые поместному называются гривы, и неглубоких бессточных котловин, занятых преимущественно солёными и горько-солёными озёрами. Такой рельеф получил название гривно-котловинный (Волков, 1965). Гривы являются положительными формами рельефа и представляют собой узкие гряды вытянутой формы, протягивающиеся с востока-северо-востока на запад-юго-запад. Гривный рельеф местами имеет сплошное распространение, но чаще острова гривного рельефа расположены среди плоской равнины. Гривы перегораживают древние ложбины стока, образующие сложную сеть на поверхности междуречья, и разбивают на отдельные котловины. На дне таких котловин широко развиты просадочные процессы, приводящие к образованию котловинно-западинного рельефа. Суффозионные или просадочные явления определяются такими свойствами лёссовидных пород, как их карбонатность, пористость, способность изменять объём при увлажнении. В результате образуются мелкие бессточные замкнутые понижения или западины. Размеры и формы западин различны: круглые и овальные с площадью от нескольких десятков квадратных метров до квадратного километра и более. Глубина их колеблется от 20-30 см в так называемых «степных блюдцах» до 5-10 м в крупных озёрных котловинах. Они имеют плоское дно, ясно очерченные склоны. Мелкие западины распространены не только на поверхности междуречья, но и на дне долин, на поверхности долинных террас, на гривах (Волков, 1965)
В условиях равнинной поверхности боковая речная эрозия преобладает над глубинной - реки образуют широкие долины. Долинные комплексы насчитывают от 2 до 4 аккумулятивных террасовых поверхностей. Древние аккумулятивные террасы Ишима образовались во время подпруживания рек водами ледника и наступающими с севера морскими бассейнами, они сложены переслаивающимися песками и суглинками. Поверхности надпойменных террас обычно выровненные, слаборасчленённые, осложнённые гривами и межгривными понижениями.
Ширина долины реки Ишим до 15-20 м, падение небольшое - 0,06 м/км. Долина реки Ишим выделяется в особый тип рельефа с аккумулятивными и эрозионно-аккумулятивными террасами, с характерным асимметричным строением, с коротким и крутым правым склоном, изрезанным небольшими оврагами, промоинами, логами и долинами притоков. Центральная часть района занята широкой поймой и комплексом надпойменных террас. Абсолютные отметки колеблются от 50м на пойме до 150м на правом приводораздельном склоне. Правый коренной склон довольно крутой с относительными высотами над урезом воды 30-50м, изрезан глубокими (до35м) оврагами, балками и долинами притоков. Овраги имеют обычно V-образную форму, дендритовуго форму, как задернованные, так и не задернованные склоны. Левобережная часть пологая, незаметно сливается с плоскими водораздельными равнинами. Её поверхность осложнена большим количеством грив, изборождена неглубокими лощинами и ложбинами с массой котловин, вытянутых цепочкой вдоль русла Ишима и занятых озёрами и болотами. Пойма реки Ишим широкая (6-10км), на всём протяжении двусторонняя, с относительными превышениями над урезом воды до 3-8м. Поверхность её ровная, плоская, участками сегментарно-гривистая с прирусловыми валами и большим количеством озёр-стариц. В Казанском районе на пойме выделяются останцы 1 надпойменной террасы. Русло реки довольно сильно меандрирует. Большая часть территории сложена аллювиальными отложениями пойменных и 1 и 2 надпойменных террас: супесями, песками и суглинками. Правобережная высокая часть сложена с поверхности субаэральиыми покровными лёссовидными суглинками. В естественных обнажениях коренного склона залегают верхнеолигоценовые алевритовые глины с включениями известковых конкреций диметром до 10-20см .
Проблема лесных пожаров в сосновых лесах
Чаще основной причиной пожаров является неосторожное обращение с огнем. Это вызвано большой антропогенной нагрузкой на сосновые леса, т.к. в них располагаются детские оздоровительные лагеря и санатории, проводятся полевые практики студентов и экскурсии школьников, кроме того, в летний период основная масса населения исследуемых районов использует сосновые леса как места массового отдыха, туризма, сбора ягод и грибов, (Созинова, 1999; Отчеты Лесничеств по пожарам 1995- 2006.)
Очень важное обстоятельство заключается в том, что после пожара создаются благоприятные условия для прорастания семян и приживания появляющихся из них всходов, и обеспечения элементами минерального питания (зола, интенсивная аммонификация и нитрификация), резкое снижение конкуренции с взрослыми растениями.
Лесной пожар - это сложный комплекс физических и химических факторов, действующих катастрофически на весь ранее существующий экологический комплекс леса. Его воздействие на лесные экосистемы чрезвычайно многопланово и затрагивает все уровни экосистем (Одум, 1975). С.Ы. Санников и Н.С. Санникова (1977) приводят обширную схему прямых и косвенных влияний интенсивности пожаров на основные компоненты биогеоценозов светлохвойного леса с доминированием сосны обыкновенной, включающей увеличение (уменьшение) биомассы, испарение, плотность популяции, запас семян, видовое разнообразие и т.д.
Благоприятные изменения отмечены при слабой и средней интенсивности пожаров. При сильном термическом воздействии в результате прокаливания происходят газообразные потери азота, снижается или полностью подавляется ферментативная активность почв.
Пожары вносят изменения в биологический круговорот элементов под пологом леса. Эти изменения заключаются в единовременном освобождении из сгорающих органических веществ, заключённых в них зольных элементов, улетучивании в атмосферу содержащихся в этом органическом веществе углерода, азота и, в какой-то части, серы, фтора, калия. Потери органического углерода при полном сгорании травяно-мохового покрова и лесной подстилки могут составлять, примерно, 5-20 т/га, потери азота - 1.0-1.5 т/га (Заблоцкий, 2003) Существенное значение имеет единовременное освобождение заключённых в сгорающих растительных материалах зольных элементов, которые освобождаются преимущественно в форме карбонатов и сульфатов, обладающих значительной растворимостью.
При медленном восстановлении растительного покрова на гарях возникает опасность вымывания, и вовлечения в большой геологический круговорот значительной части растворимых солей.
Сгорание подстилко-мохового покрова оказывает многостороннее влияние на физические свойства почв. Это связано с повышением аэрации почвы, способствует развитию окислительных процессов. В то же время лишённый защитного действия лесной подстилки поверхностный слой почвы под влиянием дождя утрачивает пористость и заиливается. В результате уменьшается действующая скважность, следовательно, снижается водопроницаемость и воздухообмен. В почвах, обладающих структурным мелкокомковатым перегнойным слоем, сгорание перегноя должно приводить к обесструктуриванию (Заблоцкий, 2003).
На древесные породы пожар действует избирательно в зависимости от пирофитности конкретных пород (Санников, 1985). Согласно исследованиям С.Н. Санникова пирофитность - высокая огнестойкость вида к пожарам и хорошая биоэкологическая адаптация его к условиям гари. Пирофитность сосны является результатом длительного филогенеза в условиях континентального климата при частом воздействии пожаров. Пирофитность сосны заключается в высокой огнестойкости, усиленным послепожарным плодоношением, соответствием биологических свойств и биоритмов развития сеянцев в условиях повышенной минерализации на гарях, высокой численности, выживаемости, ускоренном росте самосева в первые 3-5 лет после пожара. Сосновые леса многими авторами рассматриваются как пирогенное сообщество, возникшее и существующее в результате постоянно действующих пожаров
Обобщая результаты исследований экологических последствий пожаров в сосновых лесах Евразии, можно сделать вывод, что в сосняках-зеленомошниках таежной и лесостепной зон в первые четыре-пять лет после низового пожара, выжигающего не менее половины слоя грубого гумуса, создается благоприятная для самосева сосны "экологическая ниша", в которой условия среды близки к оптимальным для появления и выживания всходов, а их сезонная и многолетняя динамика соответствуют эволюционно обусловленному феноритмотипу онтогенеза сеянцев (Санников, 1978).
Характеристика мониторинговых площадок
Внутри каждого исследуемого квартала выделялась контрольная площадка общей площадью 3 га. Пробная площадка располагалась на участке, характерном для данного типа леса, на котором осуществлялся полный пересчет деревьев, велись почвенные наблюдения, геоботанические и флористические исследования. Если возникала необходимость изучения подземных органов растений, при которых нарушалась целостность почвенного покрова, то эти исследования выносились за пределы контрольной площадки, исключение сделано только для определения влажности почвы и описания почвенных горизонтов. Пробные площадки картировались, делалась топографическая привязка к границам кварталов, на местности они были оконтурены столбами с указанием площади и года закладки мониторингового полигона. Казанский лесхоз Гарь. (Казанский лесхоз, 170кв., выдел №10). Площадь пожара 15,2 га. Рис.З. Мониторинговые площадки в Казанском лесхозе Квартал расположен в эпицентре пожара 1999 года. Пожар низовой на всей площади. Подстилка и верхний горизонт почвы (А) выгорели полностью. Всего в пределах квартала насчитывается 25 выделов. Наибольшей площадью представлены сосновые леса на местообитаниях А]. Максимальный возраст сосны 40 лет, большая часть насаждений 30 лет, высота 15-20м, бонитет 2-3, расположение деревьев куртинное. Гарь была обследована через месяц после пожара. В пределах квартала отмечено возобновние березы в понижениях в виде пневой поросли. Контроль. (Казанский лесхоз, 170 кв., выдел №14 ). Квартал располагается на самой кромке пожара. Площадь контрольного участка составляет Зга. Наибольшей площадью представлены сосновые леса на местообитаниях Аь идентичные сосновым насаждениям на гари. Ишимский лесхоз Гарь. (Ишимский лесхоз, Синицинский бор, квартал 72, выдел 20). Площадь В квартале 35 выделов. Наибольшей площадью представлены чистые сосняки 60-150 лет. Высота древостоя 15-22 м, класс возраста 5-7, полнота 2-4. Пожар 1997 года был только низовой. Это привело к бурному развитию травостоя уже в первые годы после пожара. Контроль. (Ишимский лесхоз, Синицинский бор, квартал 72, выдел 19). Площадь участка составляет Зга, Основу древостоя составляют почти чистые сосняки, произрастающие в лесорастительных условиях Лі (сосняк равнинный лишайниково степной). Возраст насаждений 60-150 лет, высота 20-22 м. Наибольшей площадью представлены сосново-березовые и березово-сосновые леса (9С1Б; 8С2Б; 6БЗОС1С). Березовые леса вторичны и располагаются по междюнным впадинам. После низового пожара подстилка и верхний горизонт почвы (А) выгорели полностью.
Контроль. (Абатский лесхоз, КоневскиЙ бор 62 кв.выдел 1). Площадь 3 га (контроль). В квартале 16 выделов. Так же как и на гари, здесь представлены березово-сосновые, березово-осиново-сосновые и сосново-березовые разнотравные леса. В подлеске встречаются ивы и карагана древовидная. Викуловский лесхоз.
Гарь. (Викуловский лесхоз. Тюлешов бор ЗЗІкв ), общая площадь пожара 26,3га(рис.6). Всего в квартале 25 выделов. Наиболее полно представлены сосновые и сосново-березовые леса (5С4БЮС; 8С2Б+ОС+Б; 9С1Б). Возраст 65-90; класс возраста - 4, мшисто-ягодниковые и разнотравные. После пожара практически уничтожены огнем все кустарнички.
