Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 8
2 Регион, объекты, программа и методика исследований 29
2.1 Регион исследований 29
2.2 Объекты, программа и методика исследований 36
3 Исследование особенностей пожаров в агролесоландшафтах 45
3.1 Особенности пожаров в агролесоландшафтах с полезащитными ветрорегулирующими лесными полосами III класса состояния 45
3.2 Особенности пожаров в агролесоландшафтах с полезащитными ветрорегулирующими лесными полосами II класса состояния 55
3.3 Особенности пожаров в агролесоландшафтах с полезащитными ветрорегулирующими лесными полосами I класса состояния 63
Выводы по главе 3 76
4 Влияние ландшафтных пожаров на фитопродуктивность и ветровую тень полезащитных насаждений 78
4.1 Влияние ландшафтных пожаров на фитопродуктивность лесных полос 78
4.2 Ветровая тень полезащитных насаждений - горельников 88
Выводы по главе 4 93
5 Экономическая оценка ущерба, наносимого пожарами агролесоландшафтам степного Придонья 94
5.1 Ущерб от потерь древесины полезащитными насаждениями 95
5.2 Ущерб от вреда, причинённого ландшафтными пожарами окружающей природной среде 97
Вывод по главе 5 101
Заключение 102
Рекомендации производству 104
Перспективы дальнейшей разработки темы 105
Список литературы 106
Приложение А – Акт внедрения научной разработки в учебный процесс 134
Приложение Б - Статистический анализ экспериментальных данных по площади, продолжительности низовых ландшафтных пожаров и состоянию полезащитных лесных полос 135
- Регион исследований
- Особенности пожаров в агролесоландшафтах с полезащитными ветрорегулирующими лесными полосами II класса состояния
- Влияние ландшафтных пожаров на фитопродуктивность лесных полос
- Ущерб от вреда, причинённого ландшафтными пожарами окружающей природной среде
Регион исследований
Описание и анализ природных условий региона исследований проводилось на основе опубликованных данных [3,5,15,45,48,76,110,123,126,165].
Степное Придонье – это условное название крупного субрегиона, расположенного на юге Европейской части Российской Федерации. В административных границах это в значительной части территория Ростовской области, с населением свыше 4 млн. человек и площадью 101 тыс. км2.
Согласно лесомелиоративному районированию [90], большая часть указанного субрегиона, а именно 4464055 га, относится к Доно-Донецкому лесомелиоративному району (ЛМР), который расположен, преимущественно, в границах Доно-Донецкой возвышенной пластово-волнистой слабо наклонной равнины (рисунок 2.1).
С учётом тематики диссертации при анализе природно-климатических условий региона исследований наибольшее внимание уделялось факторам, в наибольшей степени влияющим на пожарную обстановку, а так же на условия роста пород лесных полос. В этой связи большое значение имеют радиационные факторы. На рисунках 2.2 и 2.3 показаны данные о продолжительности солнечного сияния и суммарной солнечной радиации в регионе исследований.
Как следует из рисунков 2.2 и 2.3, наибольшие значения продолжительности солнечного сияния и суммарной солнечной радиации характерны для периода с апреля по октябрь включительно. Максимальные значения данных показателей приходятся на летние месяцы (июль) 315 ч. и 699 МДж/ м2 соответственно. Продолжительность дня в это время может достигать 15 ч 42 мин. Около 23% от суммарной радиации отражается подстилающей поверхностью [110,165].
На рисунке 2.4 многолетняя роза ветров для места проведения научных исследований.
Как следует из рисунка 2.4, в субрегионе преобладают ветры северовосточного, восточного и юго-восточного румбов – их повторяемость здесь достигает 55%. Речь идёт о ветрах, средняя годовая скорость которых составляет 4,6 м/с, а в период с апреля по октябрь включительно она может достигать 5,2 м/с (рисунок 2.5). Число дней с сильным ветром (свыше 6 м/с) может достигать 29 в год; максимальные скорости ветрового потока при этом характерны для холодного периода (зима, вторая половина осени, первая половина весны) [110,165]. Рисунок 2.5 - Средняя месячная скорость ветра, многолетние данные метеостанции г. Таганрог [110,165]
На рисунке 2.6 показана средняя месячная (многолетняя) и абсолютный максимум температуры атмосферного воздуха в регионе диссертационного исследования. Наиболее теплым следует считать период с апреля (от +9 +27 0С) по октябрь (+9,9 + 310С). При этом самым жарким месяцем является июль, когда температура атмосферного воздуха может достигать +40 0С. Рисунок 2.6 - Средняя месячная температура воздуха и абсолютный максимум температуры воздуха, 0С, многолетние данные метеостанции г. Таганрог [110,165] На рисунке 2.7 показано количество выпадающих атмосферных осадков по месяцам. Как следует из представленных данных, общее количество осадков относительно не велико – их годовое количество не превышает 487 мм. При этом в летние месяцы выпадает не более 152 мм, весной и осенью – по 105 мм.
Возвышенность имеет уклон в направлении с севера на юг и сложена меловыми породами. Равнина расчленена долинами притоков р. Северский Донец шириной до 4 км. Это привело к образованию плато с высотными отметками 180-220 м.
Донецкий кряж является эрозионной возвышенностью, которая в месте проведения исследований сложена песчаниками и формирует два отрога с разделением бассейнов рек Самбек и Миус.
Здесь распространены подробно описанные другими авторами обыкновенные и южные чернозёмы, с типичным профилем [90,110,173].
Природно-климатические условия субрегиона определяют формирование травянистого покрова земель, испытывающего регулярное воздействие ландшафтных пожаров. По геоботаническому районированию Доно-Донецкий ЛМР относится к зоне типичных разнотравно – ковыльных степей [86,90]. Основными видами растительности следует считать лисохвост луговой (Alopecurus pratensis L.), пырей ползучий (Elytrigia elongata (Host.) Nevski.), ковыли красивейший (S. pulcherrima C. Kosh), украинский (S. ucrainica P. Smin.), Лессинга (S. lessingiana Trin.), волосовидный (Stipa capillata L.), житняк гребневидный (Agropyron pectinatum (Bieb) Beauv.).
Распространены тимофеевка луговая (Ph. pratense L.) и степная (Phleum phleoides (L.) Karct.), овсяницы ложноовечья (F. pseudovina Hack. ex. Wiesb.), луговая (Festuca pratensis Huds.) и валисская (F. valesiaca Gaudin.).
Из полыней представлены Лерха (A. lerchiana Web.), Маршалла (A.marshalliana Sprend.), крымская (A. taurica Willd), понтийская (A. pontica L.) и австрийская (Artemisia austriaca Jacg.).
Широко распространены такие виды, как резак обыкновенный (Falcaria vulgaris Bemb.), горец птичий (Polygonum aviculare L.), чина жестковолосистая (Lathyrus hirsuus L.), чистяк весенний (Ficaria verna Huds.), донник лекарственный (Melilotus offici-nalis (L.) Pall.), сурепка обыкновенная (Barbarea vulgaris R. Br.), пастушья сумка (Capsella bursa-pastoris (L.) Medik.), подорожник ланцетный (Plantago lznceolata L.), одуванчик лекарстевнный (Taraxacum officinale Wigg.), тысячелистник благородный (Achillea nobilis L.) [86,90].
Эти виды травянистой растительности формируют покров не только на целинных участках, но и под пологом полезащитных лесонасаждений, которые были созданы в середине прошлого века для защиты агроландшафтов от суховейных ветров по стандартной технологии, преимущественно из Robnia pseudoaccia L. На текущий момент площадь полезащитных лесных полос в степном Придонье достигает 125 тыс. га. По данным В.В. Танюкевича и В.М. Ивонина, на робиние-вые полезащитные насаждения приходится около 72% от общей площади таких лесополос субрегиона исследований, из них 84% - средневозрастные посадки. Защитная лесистость пашни в регионе колеблется в пределах 1,92 %– 3,28 % [90].
Аграрное значение Степного Придонья велико - площадь пашни здесь достигает 4464055 га, в том числе пашни – 2962287 га. При этом по данным В.В. Таню-кевича зерновые-колосовые ежегодно высевают в регионе исследований на 50,5% площадей [210,219]. Здесь формируются пожнивные остатки, которые также могут влиять на пожарную обстановку.
Особенности пожаров в агролесоландшафтах с полезащитными ветрорегулирующими лесными полосами II класса состояния
Низовой ландшафтный пожар на исследуемом опытном участке произошёл по не выясненной причине 15 июня 2016 г. в 9.30 на территории Большенекли-новского сельского поселения (Неклиновский административный район Ростовской области), вблизи агроурочища Среднее. Класс пожарной опасности условий погоды IV (ясно, ветер восточный 4-5 м/с). Очаг возгорания находился на необрабатываемом (межевом) участке сельскохозяйственного поля, расположенного восточнее робиниевой лесополосы, шириной 12 м (инв. № 8). Пожар распространялся по корневищной и корнеотпрысковой сухостойной травянистой растительности, преимущественно в западном направлении, со следующими скоростями: фронт – 3,8 м/мин; фланги 1,4 м/мин; тыл – до 0,5 м/мин. Это соответствует низовым пожарам сильной интенсивности.
В полезащитное (ветрорегулирующее) лесное насаждение огонь вошёл фронтом на протяжении 90 м в 14.30, преодолев расстояние по открытым агро-угодьям в 1140 м. График пожара показан на рисунке 3.6.
Исследуемое насаждение, шириной 12 м, было преодолено огнём на протяжении 50 м в течение 6 минут, что указывает на скорость распространения пожара в лесополосе порядка 2 м/мин. Это соотносится с результатами осмотра горельни-ка, выполненного 5 августа 2016 г.: высота нагара на стволах робинии составляла 1-2 м. Данный факт в лесонасаждениях 2 класса состояния объясняется нами меньшим, по сравнению с лесополосами 3 класса состояния, количеством сухостоя и, как следствие, меньшим количеством древесного горючего материала. Увеличение сомкнутости полога приводит и к снижению «остепнённости» подпо-логового пространства. Всё это в совокупности способствует снижению ветро-проницаемости лесных полос, что препятствует раздуванию огня. Описанная закономерность прослеживается и в лесных насаждениях опытных участков №7-10.
Также в ходе обследования лесополосы - горельника установлено, что в нём сохранилось свыше 10% жизнедеятельных деревьев, подрост и живой напочвенный покров выгорели. В соответствии с методикой исследований данное лесонасаждение было определено как средне повреждённое.
Опытный участок №7 (инвентарный № полезащитной лесной полосы 24)
Низовой ландшафтный пожар на исследуемом опытном участке произошёл по не выясненной причине 12 июля 2016 г. в 10.30 на территории Неклиновского административного района Ростовской области (Большенеклиновское сельское поселение), в непосредственной близости от агроурочища Копани. Погодные условия: ветер юго-восточный, со скоростью 4-4,5 м/с, ясно, класс пожарной опасности условий погоды IV. Очаг возгорания находился на межевом участке поля, расположенном юго-восточнее робиниевой лесополосы с инв. №24, шириной 12 м. Пожар распространялся по корневищной и корнеотпрысковой сухостойной травянистой растительности, пожнивным остаткам, преимущественно - в северо-западном направлении, со следующими скоростями: фронт – 3,2 м/мин; фланги 1,3 м/мин; тыл – до 0,5 м/мин (низовой ландшафтный пожар сильной интенсивности).
В ветрорегулирующее (полезащитное) лесное насаждение огонь проник фронтом на протяжении 70 м в 16.00, преодолев в общей сложности расстояние по открытым сельскохозяйственным угодьям в 1080 м. График пожара показан на рисунке 3.7.
Исследуемое полезащитное насаждение, шириной 12 м, было преодолено низовым огнём на протяжении 35 м в течение 6 минут, что указывает на скорость распространения пожара в лесополосе порядка 2 м/мин. При этом высота нагара на стволах деревьев робинии составляла 1,2-1,8 м (осмотр горельника был выполнен 15 июля 2016 г.).
Опытный участок №8 (инвентарный № полезащитной лесной полосы 50)
Ландшафтный пожар низового типа на опытном участке №8 произошёл по не выясненной причине 22 июня 2016 г. в 11.00, недалеко от х. Родионово (Не-клиновский административный район, Ростовская область, Большенеклиновское сельское поселение). Класс пожарной опасности условий погоды IV. Сами погодные условия характеризовались следующими показателями: ветер северовосточный со скоростью 5 м/с, ясно. Очаг возгорания находился на не обработанном поле, расположенном северо-восточнее робиниевой лесополосы шириной 12 м (инв. №50). Как и в предыдущих случаях, пожар распространялся по корнеот прысковой и корневищной травянистой сухостойной растительности, пожнивным остаткам, направление распространения низового огня – преимущественно, юго-западное. Скорости распространения пожара при этом составили: фронт – 3,4 м/мин; фланги 1,3 м/мин; тыл – 0,5 м/мин, то есть, низовой ландшафтный пожар имел сильную интенсивность распространения.
Под полог полезащитной (ветрорегулирующей) лесной полосы низовой огонь проник фронтом на протяжении 40 м в 13.30, преодолев расстояние по сельскохозяйственным угодьям в 510 м. График пожара показан на рисунке 3.8
Исследуемое агролесомелиоративное насаждение было преодолено низовым ландшафтным огнём на протяжении 22 м в течение 5 минут, то есть скорость распространения пожара в лесополосе не превышает 2,4 м/мин. При этом высота нагара на стволах деревьев робинии составляла 1,5-2,0 м (по данным осмотра го-рельника 25 июня 2016 г). Опытный участок №9 (инвентарный № полезащитной лесной полосы 51)
Низовой огонь ландшафтного пожара на опытном участке №9 воспламенился по неустановленной причине 1 сентября 2016 г. в 9.00 недалеко от х. Лесной, Матвеево-Курганский административный район, Ростовская область, Малокирсановское сельское поселение. На фоне ветра восточного румба скоростью 5,4 м/с и ясной безоблачной погоды класс пожарной опасности условий погоды оценивался как IV. Очаг возгорания - неудобье, расположенное восточнее робиниевой лесополосы с инв. №51. Основной горючий материал – пожнивные остатки, корнеот-прысковая и корневищная травянистая высокостебельчатая сухостойная растительность. Направление движения низового ландшафтного огня - преимущественно западное. Параметры распространения пожара:
- фронт – 3,9 м/мин;
- фланги 1,5 м/мин;
- тыл – 0,6 м/мин.
В целом описываемый ландшафтный пожар имел интенсивность распространения, оцениваемую как сильную.
В полезащитную лесную полосу фронт ландшафтного пожара протяжённостью 29 м проник в 13.00, преодолев расстояние по сельскохозяйственным угодьям (неудобьям) в 930 м и охватив площадь 12,91 га. График пожара показан на рисунке 3.9.
Исследуемое полезащитное (ветрорегулирующее) насаждение было преодолено низовым ландшафтным пожаром на протяжении 22 м в течение 6 минут, то есть скорость распространения пожара в лесополосе не превышает 2 м/мин. Нужно отметить, что высота нагара на стволах робинии, как и в предыдущих трёх случаях, составляла 1,5-2,0 м (осмотр лесополосы - горельника был проведён 3 сентября 2016 г).
Влияние ландшафтных пожаров на фитопродуктивность лесных полос
Степень повреждения низовыми ландшафтными пожарами полезащитных лесных полос определяется интенсивностью выгорания, гибелью живой надземной фи-томассы насаждений в результате пирогенного воздействия. В ходе осмотра горель-ников и оценки степени их повреждения было выявлено две формы поражения пожарами деревьев в агролесомелиоративных насаждениях:
- форма 1 - выгорание деревьев: экземпляры, практически, полностью (более чем на 2/3 от первоначальных физических размеров) сгорели в результате подъёма низового огня вверх по стволу, остатки растений представляют из себя обуглившиеся пни или обгоревший валежник, нежизнеспособный древостой;
- форма 2 - подгорание деревьев: у растений обгорела корневая шейка и (или) ствол на высоту до 2 м, дерево в целом сохранило свою архитектонику, однако часть ветвей и древесной зелени усохла. С учётом выше отмеченного были проведены исследования влияния ландшафтных пожаров на надземную фитомассу полезащитных (ветрорегулирующих) лесных полос.
В таблицах 4.1, 4.2 и 4.3 приводятся экспериментальные данные по влиянию низовых ландшафтных пожаров на фитонасыщенность полезащитных насаждений, проиллюстрированные на рисунках 4.1 – 4.3, основные результаты опубликованы совместно [70,208,212,215].
Из представленных данных следует, что лесополосы I класса состояния после слабого повреждения низовыми ландшафтными пожарами имеют среднюю надземную фитомассу 42,8 т/га и фитонасыщенность 0,421 кг/м3. При этом на фракцию стволовой древесины приходится около 85% от общей массы (в центральных рядах 86-88%), ветви 10% (в опушечных рядах до 13%), древесная зелень – 5% (на опушке достигает максимальных значений 6-8%). Данная структура надземной растительной биомассы существенно не отличается от таковой у обычных, не поврежденных огнем робиниевых лесополос. Это не противоречит результатам обширных исследований В.В. Танюкевича и др. [216-221].
Надземная фитомасса лесонасаждений – горельников, до пожара относившихся к II классу состояния (повреждаются огнем в средней степени), несколько отличается по своей структуре от таковой в насаждениях предыдущего класса состояния, что вызвано выгоранием растительного материала. Так, средняя надземная фитомасса этих лесополос после воздействия низового ландшафтного пожара составляет 37,5 т/га, при этом на ствол приходится 87%, ветви 9% и древесная зелень 4% от итоговой фитомас-сы. Фитонасыщенность таких насаждений составляет порядка 0,338 кг/м3. Как следует из таблицы 4.2, опушечный эффект здесь так же проявлен, но в меньшей степени, так как ветви и древесная зелень в крайних рядах при пожарах в лесополосах II класса состояния горят более активно, чем в насаждениях I класса состояния.
Как следует из представленных результатов исследований, полезащитные (вет-рорегулирующие) лесные полосы III класса состояния выгорают наиболее активно, повреждаются в сильной степени. Так, при общей величине надземной фитомассы 31,8 т/га, доля стволовой массы возрастает до 96,3%, а доля фракции ветвей и древесной зелени падает, соответственно, до 3,4% и 0,3%. Фитонасыщенность таких лесонасаждений в среднем составляет 0,314 кг/м3. Древесная зелень и ветви в опушечных рядах описываемых насаждений выгорают практически полностью, сохраняясь лишь в центральных рядах.
Статистический анализ экспериментальных данных указывает на существенность отличий по величинам фитомассы и фитонасыщенности (tфакт 28 t табл 4,3). Это является дополнительным обоснованием разделения полезащитных (ветрорегулирующих) лесополос по степени повреждения низовыми ландшафтными пожарами на слабо, средне и сильно повреждённые.
Результаты дополнительного осмотра лесополос – горельников 2016 -2017 г., выполненного в августе 2018 г. свидетельствуют о том, что после прохождения низовых ландшафтных пожаров слабо и средне повреждённые робиниевые лесонасаждения восстанавливаются (формируют ажурную конструкцию) в течение 2 лет, сильно повреждённые ветрорегулирующие лесополосы не восстанавливаются (до 90% деревьев нежизнеспособны) и подлежат реконструкции.
Ущерб от вреда, причинённого ландшафтными пожарами окружающей природной среде
В настоящем расчёте под средообразующими функциями полезащитных насаждений понимается почвозащитная, санитарно - гигиеническая, водоохранная и мелиоративная.
Расчёт ущерба от снижения средообразующих функций полезащитных насаждений выполняли на основе установленного ущерба от потерь древесины. При этом в соответствии с главой 8 и Приложением 5 ранее упомянутой «Инструкции…» [103] коэффициент экологической значимости лесонасаждений принимался равным 2,0: функция посадок – защитная; категория «другие леса на пустынных, полупустынных, степных, лесостепных и малолесных горных территориях, имеющие большое значение для защиты окружающей природной среды».
Результаты расчёта проиллюстрированы на рисунке 5.3, из которых следует, что в случае сильного повреждения ландшафтным пожаром одного гектара полезащитной лесной полосы величина ущерба от снижения её мелиоративной функции может достигать 43346 руб. Соответственно, при средней степени повреждения данный ущерб достигнет 16672 руб./га, при слабой – не более 4288 руб./га.
Количество выгоревшей надземной фитомассы принимали из главы 4. Из литературных источников [34,143,188,189], а также из нормативных документов [103] следует, что при сгорании фитомассы лесонасаждений в атмосферный воздух поступают четыре основных загрязняющих вещества:
- оксид углерода (77,6%);
- углеводороды (7,5%);
- оксиды азота (1,2%);
- взвешенные частицы (13,7%).
На рисунке 5.4 приводятся полученные в ходе расчётов данные по эмиссии в атмосферу региона исследований указанных выше поллютантов при различной степени пирогенного повреждения надземной фитомассы полезащитных лесных полос.
Как следует из рисунка 5.4, при сильном повреждении огнём 1 га лесонасаждений в атмосферу в общей сложности поступает около 1,8 тонн поллютантов. При слабом повреждении этот показатель не превышает 225 кг/га. При средней степени повреждения лесополос в воздух указанных загрязняющих веществ эмис-сируется не более 853 кг/га.
В соответствии с указанными в методике исследований нормативными документами в расчёте принимались следующие ставки платы за выбросы выше отмеченных загрязняющих веществ (руб./т): оксид углерода 1,6; углеводороды 10,8; оксиды азота, взвешенные частицы 93,5. Коэффициент экологической ситуации для Северного Кавказа 1,6.
Проведённые расчёты (рисунок 5.5) показали, что ущерб от выбросов продуктов горения лесополос в атмосферный воздух оценивается от 220 руб./га (слабо повреждённые пожарами насаждения), до 1648 руб./га (сильно повреждённые пожарами лесные полосы). Один га полезащитных насаждений в средней степени повреждённых огнём наносит ущерб окружающей среде на сумму не более 806 руб.
Сумма всех выше приведённых расчётов позволила установить общий ущерб, наносимый степными пожарами агролесоландшафтам региона исследований (рисунок 5.6).
Как видно из рисунка 5.6 при сильной степени повреждения ущерб, причиняемый одному га лесных полос может превышать 66,7 тыс. руб. Эта сумма соотносится с величиной затрат на создание таких насаждений. При слабой степени повреждения лесных полос огнём пожаров общая величина ущерба не существенна – не более 6,65 тыс. руб./га.