Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 8
Глава 2. Район и методика исследований 36
2.1. Характеристика района исследований .36
2.2. Горимость лесов на территории Селенгинского среднегорья 42
2.3. Методика исследования .53
2.4. Характеристика экспериментальных участков 61
Глава 3. Трансформация фитомассы древостоя сосняков под воздействием пожаров .71
3.1. Фитомасса модельных деревьев сосны 71
3.2. Фитомасса древостоев в сосняках на контрольных участках 76
3.3. Послепожарный отпад деревьев в сосняках 81
3.4. Изменение фитомассы древостоя под воздействием пожара .91
Глава 4. Естественное лесовозобновление после пожаров в сосняках Селенгинского среднегорья 96
4.1. Состояние и структура естественного возобновления под пологом сосняков 96
4.2. Фитомасса самосева и подроста в сосняках .99
4.3. Состояние и структура естественного возобновления в сосняках после воздействия пожара 101
4.4. Изменение фитомассы самосева и подроста под воздействием пожаров..106
Глава 5. Фитомасса напочвенного покрова в сосняках и ее изменение под воздействием пожаров 108
5.1. Структура фитомассы напочвенного покрова в сосняках разнотравно-брусничных 108
5.2. Изменение фитомассы напочвенного покрова в сосняках после пожаров.114
5.3. Постпирогенная трансформация надземной фитомассы в сосняках Селенгинского среднегорья 122
Глава 6. Воздействие пожаров на составляющие баланса углерода сосняков Селенгинского среднегорья .128
6.1. Запас углерода надземной фитомассы сосняков разнотравно-брусничных Селенгинского среднегорья .131
6.2. Составляющие баланса углерода в сосняках разнотравно-брусничных .134
6.3. Составляющие баланса углерода в сосняках после воздействия
пожаров .135
Выводы .138
Список литературы 140
- Горимость лесов на территории Селенгинского среднегорья
- Послепожарный отпад деревьев в сосняках
- Состояние и структура естественного возобновления в сосняках после воздействия пожара
- Постпирогенная трансформация надземной фитомассы в сосняках Селенгинского среднегорья
Горимость лесов на территории Селенгинского среднегорья
Зональная растительность определяет запас и структуру лесных горючих материалов. Общие средние запасы ЛГМ уменьшаются от северной и средней тайги к зоне лесостепи. Выявлена тенденция уменьшения доли запасов подстилки в сосняках от северной и средней тайги к лесостепной зоне. Наличие значительных запасов подстилки в сосняках северной и средней тайги способствует развитию в летний период устойчивых подстилочно-гумусовых пожаров [Иванова, 2005].
Запасы напочвенных горючих материалов в сосняках лишайниково-зеленомошных составляют 36,9 т/га в средней тайге и 27,5 т/га в южной тайге. Запасы подстилки в южной тайге в 2 раза меньше, чем в средней тайге. Наибольший запас приходиться на древесные элементы, диаметр которых превышает 7 см. Запасы опада в среднетаежных сосняках составляют 1,5 т/га и южнотаежных - 1,9 т/га [Кукавская, Иванова, 2006]. Запасы напочвенных лесных горючих материалов, в южнотаежных смешанных сосново-лиственничных насаждениях Нижнего Приангарья варьирует от 49 до 79 т/га, при этом на мхи и подстилку приходится до 64% [Жила, Кукавская, 2009].
Лесная подстилка является важным компонентом определяющим силу пожара, она горит преимущественно без пламени, и потому длительное время процесс может быть скрытым, создавая немалые сложности при ликвидации огня. Запасы подстилки в фитоценозах зависят от количества опада поступающего на почву и быстроты разложения органики, что в свою очередь обусловливается климатом, эдафическими и орографическими условиями и особенностями насаждения [Матвеев, 2004]. Запасы фитодетрита в насаждениях зависят от количества, поступающего на почву опада и быстроты разложения органики [Матвеева, 2006]. Запасы горючего в лесу в большой степени зависят от продолжительности периода без пожаров. Даже спустя 30 лет после сильных пожаров отмечалось различие мощности слоев подстилки на гарях и незатронутых огнем участках, так же запасы горючего в лесу в большей степени зависят от продолжительности беспожарного периода [Матвеева, 2008].
Способность задерживать распространение горения на участке у живых растений зависит, прежде всего, от запасов зеленой вегетирующей массы и её влагосодержания, а также от соотношения проводников горения и задерживающих горение лесных горючих материалов. Практически для всех растений характерна сезонная динамика влагосодержания с максимумом в весеннее время, минимумом в осеннее и незначительные суточные изменения влагосодержания. В полуденное время у растений снижается влагосодержание, которое к вечеру опять увеличивается и достигает своего максимума в ночные часы. Минимальный запас сухих растительных горючих материалов, когда возможно распространение горения, составляет 0,1-0,2 кг/м2. Предельное влагосодержание, при котором прекращается горение, для лесных горючих материалов составляет 25-28% [Курбатский, 1970].
Влагосодержание лесных горючих материалов играет большую роль в возникновении лесных пожаров. Оно определяет пожарную зрелость лесных горючих материалов, т.е. способность к воспламенению и независимому распространению горения, а также интенсивность процесса горения и скорость кромки пожара. Сгорающие лесные горючие материалы являются источником тепла, образующимся при горении. Чем больше сгорает проводников горения, таких как опад, лишайники, мхи, древесные веточки, подстилка, тем больше выделяется тепла [Курбатский, 1970; Курбатский, Иванова, 1987].
Сгорающая масса лесной подстилки определяется ее влагосодержанием, это зависит от количества выпадающих осадков, типом леса, сомкнутостью крон, количеством деревьев, в том числе подроста. Но даже при большом влагосодержании сгорание фитомассы неизменно [Hille, Ouden, 2005]. Нарастание зеленой массы в напочвенном покрове служит препятствием возникновению горения и его распространению, изменению запаса зеленной массы и проводников горения [Курбатский, Иванова, 1987]. По мнению М.А. Софронова [1967] ранней весной запасы вегетирующей травы ничтожны и именно на этот период приходится наибольшее количество пожаров. Максимум запасов в июле, (2-3т/га), обычно совпадает с минимумом пожарной опасности. Травы и кустарнички с высоким влагосодержанием снижают температуру на поверхности почвы, в результате высыхания проводников горения замедляется и затрудняется распространение пожара (Курбатский, Иванова, 1987). В сосняках подтаежной и лесостепной зон резко выражена зависимость возникновения пожаров от вегетации травяно-кустарничкового яруса [Иванова, 2005].
Воздействие пожаров на отпад и естественное лесовозобновление. Острейшей проблемой стабильности и устойчивого развития общества, особенно на фоне тенденции прогнозируемого потепления климата, становиться лесовозобновление [Санников, Санникова, Петрова, 2004]. М.Е. Ткаченко [1911], одним из первых среди отечественных лесоводов обратил внимание на значение лесных пожаров в жизни лесов, дал научный анализ в роли огня как фактора возобновления леса и смены пород в таежных лесах, а так же наметил некоторые пути его регулирования и практического использования. Он отмечал, что огонь занимал исключительно важное место в многовековой истории формирования лесов малонаселенных таежных районов, где, с одной стороны, они гибнут после пожаров, а с другой – после них происходит обновление состава сообществ. На больших площадях появляются молодняки после резких изменений среды, вызываемых пожарами.
Послепожарный отпад деревьев в сосняках
Контроль к участку № 3а. Поверхность участка ровная. Состав древостоя 10С (95). Средняя высота 18,6 м, средний диаметр 24 см. Относительная полнота 0,9. Возобновление сосны неравномерное до 10,8 тыс. экз./га, высотой до 2 м. Жизненное состояние подроста удовлетворительное. В подлеске единично Rhododendron dauricum. Травяные растения представлены: Carex macroura. sp, Calamaqrostis arundinacea. sp, Trifolium lupinaster. sp, горошком однопарным Vicia unijuga A. Br. sol, Pyrola rotundifolia. sp, Pulsatilla flavescens. sol. Среднее проективное покрытие до 30%. Также в этом ярусе брусника Vaccnium vtis-idaa. sp, которая занимает 15% (рисунок 2.14). Рисунок 2.14 Напочвенный покров на участке № 3
Участок № 3а. Сосняк пройден низовым пожаром в 2006 году. Занимает плоскую ровную ступень склона. Поверхность участков с хорошо выраженным микрорельефом. Нанорельеф образован старыми вывалами и небольшим количеством валежа разной степени деструкции (рисунок 2.15). Рисунок 2.15 Сосняк на участке № 3а, пройденный низовым пожаром в 2006 году. Средний возраст деревьев 90 лет, средний диаметр - 22 см, средняя высота – 18,4 м, полнота 0,7. Возобновление равномерное сосной - до 16,4 тыс. экз./га, преобладает подрост высотой до 1 м. Подлесок представлен Rosa acicularis. В напочвенном покрове преобладает Lathyrus humilis. sp, Calamaqrostis arundinacea. sol, Trifolium lupinaster. un, Vcia crcca. un, Vaccnium vtis-idaa. sol. Проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса зависит от сомкнутости и варьирует от 30 до 60 %
Участок № 4. Контроль к участку № 4а. Поверхность участка ровная, с небольшими микро понижениями. Состав древостоя 10С(95). Средняя высота 19,4 м, средний диаметр 24 см. относительная полнота 0,8. Возобновление сосной в количестве 11,9 тыс. экз./га, преобладает подрост высотой до 1 м. В подлеске единично рододендрон даурский Rhododendron dauricum. Кустарничковый ярус представлен брусникой Vaccnium vtis-idaa. sol, Vaccnium uliginsum. sp. Травяной покров представлен Carex macroura. un, Lathyrus humilis. un, Pulsatilla flavescens. sp, Vcia crcca. un. (рисунок 2.16). Рисунок 2.16 Напочвенный покров на участке № 4 Проективное покрытие кустарничкового яруса в среднем по участку составляет около 30%. Встречаются редко лишайники и, в основном, по валежу. Участок № 4а. Сосняк пройден пожаром в 2007 году (рисунок 2.17). Нанорельеф образован валежом. Состав древостоя 10С, возраст 95 лет. Средняя высота 18,5 м, средний диаметр 22 см. Относительная полнота 0,7. Возобновление равномерное сосной - 18,4 тыс. экз./га. Жизненное состояние подроста благонадёжное. Рисунок 2.17 Сосняк на участке № 1, пройденный низовым пожаром в 2007 году В подлеске единично Rosa acicularis. В напочвенном покрове преобладает разнотравье и брусника. В видовом составе Carex macroura. un, Calamaqrostis arundinacea. un, Trifolium lupinaster. un, Vcia crcca. un, Lathyrus humilis. un, Vaccnium vtis-idaa. sol. Проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса зависит от сомкнутости и варьирует от 20 до 60 % с доминированием брусники.
Участок № 5. Контроль к участку № 5а. Поверхность участка ровная. Состав древостоя 10С (85). Средняя высота 17,8 м, средний диаметр 24 см. Относительная полнота 0,8. Возобновление сосной в количестве 12,4 тыс. экз./га, преобладает подрост высотой до 1 м. Размещение подроста по площади равномерное. Жизненное состояние подроста благонадежное. Видовой состав трав: Lathyrus humilis. sp, Trifolium lupinaster. un, Vcia crcca. un,
Calamaqrostis arundinacea. sp, а также встречается Vaccnium vtis-idaa. sol. Среди трав преобладание чины приземистой. Подлесок редкий представлен шиповником иглистым Rosa acicularis. Участок № 5а. Сосняк пройден пожаром в 2008 году. Поверхность участка ровная. Нанорельеф образован валежом различной степени разложения. Состав древостоя 10С (95). Средняя высота 18,1 м, средний диаметр 22 см. Относительная полнота 0,7. Возобновление равномерное сосной - 24,9 тыс. экз./га. Жизненное состояние благонадёжное. В травяно-кустарничковом ярусе доминирует Vaccnium vtis-idaa. cop2, общее проективное покрытие составляет 80%. В видовом составе единично встречается Calamaqrostis arundinacea. sol, черника Vaccimum myrtillus L. un, Vaccnium uliginsum. un. В подлеске единично Rosa acicularis Lindl.. Лишайниковый и моховой покров не развит. Изредка встречаются лишайники из рода Peltigera, приуроченные к валежнику.
Участок № 6 Контроль к участку № 6а. Поверхность участка ровная. Состав древостоя 10С (95). Средняя высота 18,9 м, средний диаметр 22 см. Относительная полнота 0,9. Возобновление сосны неравномерное до 8,2 тыс. экз. /га, высотой от 0,5 до 2 м. Подрост сосны жизненной категории благонадежный. Подлесок редкий представлен шиповником иглистым Rosa acicularis. Напочвенный покров дифференцирован по условиям микросреды. Видовой состав напочвенного покрова: клевер люпиновый Trifolium lupinaster. sp, Vcia crcca. sp, Calamaqrostis arundinacea. un, Lathyrus humilis. cop2, Vaccnium vtis-idaa. sol.
Участок № 6а. Сосняк пройден низовым пожаром с выходом в кроны в 2009 году. Занимает пологий склон. Поверхность участков ровная, микрорельеф не выражен, Средний возраст деревьев 90 лет, средний диаметр равен 24 см, средняя высота – 18,7 м, полнота 0,7. Возобновление сосной в количестве 2,3 тыс. экз./га. Жизненное состояние подроста ослабленное. Подлесок единично представлен Rosa acicularis. Общее проективное покрытие от 10 до 30%. Мхи не представлены. Из лишайников встречается Cladonia rangiferina небольшими пятнами по валежу. В видовом составе присутствуют Carex macroura. sp, Pyrola rotundifolia. sp, линнея Linnaea borealis L. un, подмаренник GaIium verum L. un, майник Majanthemum bifolium L. un, ирис Iris sibirica L. un, Calamaqrostis arundinacea un, Vaccnium vtis-idaa. sol, чина приземистая Lathyrus humilis un.
Состояние и структура естественного возобновления в сосняках после воздействия пожара
Наибольшее количество самосева и подроста приходится на группу высот от 0,5 до 2,0 м и более. В результате проведенных исследований выявлено, что в сосняках Селенгинского среднегорья естественное восстановление после низовых пожаров на начальном этапе послепожарной сукцессии происходит успешно. Количество благонадежного самосева и подроста составляет от 7,3 до 20,6 тыс. шт/га и его достаточно для восстановления ценопопуляции после пожара. Подтверждена связь между толщиной подстилки после пирогенного воздействия и количеством самосева. Установлено, что в данных лесорастительных условиях наиболее благоприятные условия для появления всходов наблюдаются при толщине субстрата от 1,2 до 1,8 см. Выявлена связь количества самосева и подроста в сосняках с продолжительностью периода после воздействия пожара. Благонадежность, встречаемость и обилие самосева и подроста в сосняках после пожаров свидетельствуют о том, что на данных участках назначение и проведение лесохозяйственных мероприятий по содействию естественному возобновлению не требуется.
Воздействию пожаров на структуру и фитомассу напочвенного покрова и его послепожарную трансформацию сосняков посвящен ряд исследований, особенно по Сибири [Курбатский, Иванова, 1987; Попова, 1991; Фуряев, 1996; Корнева 1999; Горшков, Ставрова, 2005; Прокушкин, и др, 2006; Перевозникова с соавт., 2007; Краснощеков, 2009; Ковалева с соавт., 2011, 2012,; Иванова с соавт., 2014; Ivanova, 2011; Kukavskaya, 2014]. По Забайкалью подобные исследования немногочисленны [Евдокименко, 1975, 1983, 2008; Ведрова с соавт., 2012; Платонова, Иванова, 2012].
Структура фитомассы напочвенного покрова в сосняках разнотравно-брусничных К фитомассе напочвенного покрова нами отнесена фитомасса трав и кустарничков, опада и подстилки, а также упавших древесных материалов (сучья и валеж) разной степени деструкции.
Накопление органического вещества в почве определяется соотношением между количеством поступающего в почву органического материала в течение года и его убылью в результате процессов минерализации [Ведрова, 1997].
Лесная подстилка накапливает наибольшее количество органических веществ в виде органических остатков разной степени разложения. Однако запасы собственно гумусовых соединений в ней небольшие, по сравнению с другими горизонтами. Это связано с небольшой мощностью данного горизонта и высокой подвижностью образующихся в нем специальных гумусовых соединений в бореальной зоне [Шихова, Зубкова, Русских, Корякина, 2011].
Большая часть опада в лесу поступает на поверхность почвы в отличие от травянистых экосистем, где преобладает опад подземных частей растений. Процессы трансформации опада контролируются различными факторами, совокупность которых обеспечивает накопление подстилки [Честных, Лыжин,
Наибольшее количество фитомассы опада приходится на хвою - от 30 до 49%, на кору - от 15 до 22%, на шишки - от 15 до 39%, на ветошь трав и кустарничков - от 12 до 22% от общей фитомассы опада.
Фитомасса упавших древесных материалов. К фитомассе упавших древесных материалов относятся упавшие ветви и валеж разной степени деструкции. Распределение фитомассы упавших древесных материалов в сосняках на контрольных участках по классам диаметра представлено в таблице 5.2. Из-за неравномерного распределения ветвей и валежа по площади количество фитомассы варьирует от 5,52 до 8,29 т/га (коэффициент вариации от 61 до 149%).
Наибольшая доля фитомассы (до 74%) веток и валежа в сосняках приходиться на древесные элементы до 7 см, среди которых преобладают веточки IV класса диаметром 3,0-4.99 см, на которые приходится от 29 до 39% (таблица 5.3). Валеж и ветви диаметром 7 см и более составили от 26 до 42%.
Структура фитомассы напочвенного покрова в сосняках разнотравно брусничных. Известно [Мелехов, 1947; Курбатский, Иванова, 1987], что густота древостоя в значительной степени определяет как запас древесного полога, так и напочвенного покрова. С увеличением полноты древостоя и изменением светового режима фитомасса трав уменьшаются, а кустарничков и мхов возрастает. Накопление лесной подстилки также зависит от условий местопроизрастания. В сосняках разнотравно-брусничных на контрольных участках, не пройденных пожаром, фитомасса напочвенного покрова составляет от 21,17 до 27,82 т/га (таблица 5.4, рисунок 5.3), что характерно для сосняков южной подзоны тайги и лесостепи [Иванова, 2005]. Фитомасса трав и кустарничков варьирует от 0,51 до 1,04 т/га, опада – от 3,06 до 6, 80 т/га, ветвей и валежа - от 5,52 до 8,29 т/га, подстилки от 9,47 до 13,75 т/га.
Постпирогенная трансформация надземной фитомассы в сосняках Селенгинского среднегорья
Глобальные изменения климата, связанные с накопление в атмосфере СО2и возникновением парникового эффекта, требуют детального изучения баланса углерода в лесных экосистемах [Исаев, Коровин, 1999].
Лесные экосистемы постоянно обмениваются веществом и энергией с атмосферой и почвой. В процессе фотосинтеза происходит связывание диоксида углерода атмосферы, перераспределение его между морфологическими органами растений и длительная аккумуляция в древесине стволов, ветвей, корней. Часть углерода ежегодно с опадом и отпадом поступает в лесную подстилку. При ее разложении основная масса мертвого органического материала минерализуется в виде СО2 и возвращается в атмосферу, оставшаяся – участвует в синтезе гумусовых веществ почвы. Таким образом, круговорот углерода в лесной экосистеме представляет собой сложную взаимозависимую цепь обменных процессов в системе трех крупных блоков: атмосфера – растительность – почва - атмосфера [Плешиков, 2002].
Баланс углерода в лесных экосистемах складывается из взаимодействия двух основных процессов: поглощения атмосферного углерода надземной растительностью для создания продукции и эмиссии в атмосферу СО2 как результат разложения мертвого органического вещества, сконцентрированного на поверхности и в толще почвы [Ведрова, 2002].
Роль лесных экосистем в углеродном балансе может быть различна: в зависимости от многих причин экосистемы могут обеспечивать как поглощение углерода, так и выброс его в атмосферу. Для изучения углеродного цикла и биогеохимической миграции углерода в естественных экосистемах необходимы данные по содержанию, накоплению и распределению углерода в отдельных структурных элементах биогеоценозов [Кобак, 1988].
Лесная экосистема состоит из множества подсистем, каждая из которых в отдельности является источником или стоком углерода. Если рассматривать отдельно,то рост лесонасаждений отвечает за поглощение углерода из атмосферы, т.е. обеспечивает сток. Разложение опада и почвенной органики выводит углерод из экосистемы в атмосферу, т.е. является источником. Таким образом, чтобы узнать является ли лесная экосистема (в локальном, региональном масштабах или масштабах страны) источником или стоком, необходимо учитывать потоки углерода между всеми подсистемами, включая древостой, подлесок, напочвенный покров и почву [Замолодчиков, 2009].
Запас углерода определяется через общий запас фитомассы древесной, кустарниковой и травянистой растительности на территории лесного фонда и удельное содержание углерода в их фитомассе. Ежегодное депонирование углерода древесной и кустарниковой растительностью находили через изменение запаса фитомассы по разности между ее текущим приростом и опадом. Баланс углерода в атмосфере напрямую зависит от функционирования лесных экосистем – процессов фотосинтеза, дыхания и разложения органического вещества. Естественные и антропогенные нарушения лесных экосистем: лесные пожары, вспышки численности насекомых-вредителей, а также вырубки леса приводят к выделению углекислого газа в атмосферу [Исаева, Коровин, Уткин, 1993].
По данным А.В. Махныкина и О.В Сергеевой [2010] общий запас углерода для сосняков Средней Сибири варьирует в широких приделах, что свидетельствует о высокой мозаичности растительного покрова исследуемой территории, а также о существенных различиях в биометрических показателях древостоев на заложенных пробных площадях. Запас крупных древесных остатков (валежник, пни, сухостой) также имеет широкий диапазон значений. Наибольший средний запас крупных древесных остатков сконцентрирован в молодняках, а наименьший в средневозрастных насаждениях. Молодняки, а также спелые и перестойные насаждения, характеризуются наибольшей интенсивностью минерализационных потоков. Это связано с тем, что в молодняках основная часть потока углерода образуется за счет разложения унаследованных запасов крупных древесных остатков, а в спелых и перестойных насаждениях за счет распада современного насаждения. Пожары воздействуют на накопление углерода в бореальных лесах. Они обеспечивают прямое освобождение углерода в атмосферу через горение биомассы, прямо и косвенно воздействует на восстановительные сукцессии растительности, направленность которых, определяет динамику взаимосвязи живой биомассы и накопления углерода. Лесные пожары воздействует на возрастное строение древостоев в насаждениях, что также влияет на количество аккумулируемого углерода [Kasischke et. al., 1995].
Исходя из вышесказанного, для оценки воздействия пожаров разной силы на составляющие баланса углерода экосистемы сосняков разнотравно брусничных, мы использовали при расчетах балансово-весовой метод [Ведрова, 1998, 2002]. В связи с тем, что лесные пожары воздействуют непосредственно на надземную фитомассу, вызывая наибольшие качественные и количественные ее нарушения, и лишь опосредованно на подземную фитомассу, то расчет составляющих баланса углерода производили только по надземной фитомассе. Годичный прирост биомассы в лесной экосистеме представляет собой сумму прироста хвои, веток, стволов и корней деревьев, а также трав, кустарничков, лишайников и мхов. Годичная продукция древостоя рассчитана на основе распределения деревьев по ступеням толщины и возрасту. Прирост ветвей деревьев основного полога определяли на основе процента от массы фракции, который для сосняка по литературным данным составляет 1,45%, прирост ветвей подроста – 11 % [Ведрова, 1998]. Продолжительность жизни сосновой хвои принята равной 5 лет [Онучин, Спицина, 1995].
Годичный прирост травяно-кустарничкового яруса, определяли на основе процента прироста растений от их запаса, так для брусники (Vaccinium vitis idaea) – 16% [Левина, 1960; Астрологова, 1978; Казимиров 1983; Трефилова,
Запас углерода надземной фитомассы сосняков разнотравно-брусничных на контрольных участках составляет от 81,6 до 99,9 тС/га, что обусловлено различиями в количестве и структуре надземной фитомассы на заложенных нами пробных площадях (таблица 6.1). Запас углерода фитомассы живых деревьев, подроста, трав и кустарничков составляет от 81 до 89%, а мортмассы, включающей сухостой, упавшие ветви и валеж, опад и подстилку, -от 11 до 19% от запаса углерода надземной фитомассы сосняков. Запас углерода крупных древесных остатков (валеж и ветви) варьирует по участкам от 1,8 до 6,2 тС/га, опада с подстилкой от 0,47 до 5,37 тС/га (рисунок 6.1а).