Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса 10
Глава 2 Объекты и методика исследований 37
2.1 Характеристика района и объектов исследований 37
2.1.1 Рельеф, почвы, климат 37
2.1.2 Природные пожарные режимы 41
2.1.3 Общая характеристика экспериментального полигона 42
2.1.4 Характеристика экспериментальных участков 44
2.2 Методика исследований 51
2.2.1 Разбивка экспериментальных участков 51
2.2.2 Методика определения запаса напочвенных горючих материалов 51
2.2.3 Методика определения запаса упавших древесных горючих материалов 53
2.2.4 Методика определения фитомассы древостоя 56
2.2.5 Методика определения влагосодержания напочвенного покрова 57
2.2.6 Методика определения глубины прогорания 58
2.2.7 Методика проведения метеорологических наблюдений 59
2.2.8 Методика моделирования лесных пожаров разной интенсивности 60
Глава 3 Запасы углерода в среднетаежных сосняках лишайниково- зеленомошных 61
3.1 Запас углерода в древостое сосняка лишайниково-зеленомошного 62
3.2 Запас углерода органического вещества на поверхности почвы в сосняке лишайниково-зеленомошном 71
3.3 Общие запасы надземного органического вещества 77
Глава 4 Эмиссия углерода при низовых пожарах разной интенсивности 83
4.1 Условия проведения экспериментов и характеристика пожаров..84
4.2 Оценка количества сгоревших ЛГМ и эмиссия углерода при лесных пожарах 92
Глава 5 Влияние пожаров разной интенсивности на запас углерода в сосняках лишайниково-зеленомошных 103
5.1 Изменение запасов углерода в древостоях под воздействием пожара 104
5.2 Динамика состава и запаса опада в сосняках после пожара 111
5.3 Динамика углерода органического вещества на поверхности почвы после пожара 120
5.4 Динамика углерода надземного органического вещества
после пожаров в сосняках лишайниково-зеленомошных 133
Глава 6 Воздействие пожаров на баланс углерода в среднетаежных сосняках лишайниково-зеленомошных 139
6.1 Баланс углерода в среднетаежных сосняках лишайниково-зеленомошных до пожара 140
6.2 Баланс углерода после воздействия пожаров высокой интенсивности 144
6.3 Баланс углерода после воздействия пожаров средней интенсивности 145
6.4 Баланс углерода после воздействия пожаров низкой интенсивности 149
Выводы 155
Список литературных источников 157
Приложение А 179
Приложение Б 182
- Природные пожарные режимы
- Запас углерода органического вещества на поверхности почвы в сосняке лишайниково-зеленомошном
- Оценка количества сгоревших ЛГМ и эмиссия углерода при лесных пожарах
- Динамика состава и запаса опада в сосняках после пожара
Введение к работе
Актуальность темы В связи с глобальными климатическими изменениями, одной из причин которых является увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере (Голицын, 1990; Израэль, 2000; Verdes, 2007), изучение углеродного цикла становится наиболее актуальной задачей.
Бореальные леса играют важную роль в глобальном цикле углерода, влияют на климат Земли и определяют, является ли система стоком или источником углерода атмосферы (Crutzen et. al., 1979; Apps et al., 1993). В мире насчитывается примерно 1,2 млрд. га бореальных лесов и лесных земель, при этом около 2/3 бореальных лесов находится в России (FIRESCAN, 1994).
Пожары - основной дестабилизирующий фактор лесных экосистем. Они ежегодно охватывают 12 - 15 млн. га сомкнутых бореальных лесов, большая часть которых находится в Евразии (Conard, Ivanova, 1997). В российских бореальных лесах около 80% выгоревшей площади и 90% от числа пожаров приходится на низовые пожары (Korovin, 1996). Важным экологическим последствием является воздействие пожаров на запас углерода в лесных экосистемах и углеродный баланс атмосферы (Kasischke, Christensen, Stocks, 1995; Фуряев, 2002). Лесные пожары являются источником не только прямой эмиссии углерода при горении, но и обуславливают послепожарную эмиссию, возникающую при разложении поврежденной огнем растительности (Auclair, 1985; Dixon, Krankina, 1993; Софронов, Волокитина, 1998; Amiro et al., 2001).
Считается, что бореальные леса являются регионом стока углерода (Кобак, 1988; Goodale et al., 2002; Ведрова, 2005; Ваганов и др., 2005; Кудеяров и др., 2007). Однако многократное воздействие пожаров может трансформировать бореальные леса в источники углерода за счет прямых его выбросов при сгорании биомассы и косвенных воздействий пожаров на
тепловой и водный режим, а также на структуру и функционирование экосистем. За последние несколько десятилетий частота возникновения пожаров в бореальных лесах возросла (Korovin, 1996) и может еще более увеличиться в условиях продолжающегося глобального изменения климата (Furyaev et al., 2001; Flannigan et al., 2005; Krawchuk, Cumming, Flannigan, 2009). Это должно привести к сокращению времени восстановления экосистем в периоды между пожарами, а также к усилению выбросов в атмосферу парниковых газов (Кондратьев, Григорьев, 2004).
К настоящему времени накоплено значительное количество научных работ, посвященных запасам углерода в лесных экосистемах и балансу углерода (Кобак, 1988; Исаев и др., 1993; Алексеев, Бердси, 1994; Карелин, Замолодчиков, Гильманов, 1995; Швиденко и др., 2000; Ведрова, 20026; Shvidenko, Nilsson, 2002; Goodale et al., 2002; Усольцев, Залесов, 2005; Кудеяров и др., 2007). Однако расчеты выхода эмиссии углерода при лесных пожарах основаны на косвенных признаках и допущениях (Dixon, Krankina, 1993; Конард, Иванова, 1998; Ваганов и др., 2005). Работы, основанные на экспериментальных данных, немногочисленны. Это связано с трудностью проведения экспериментальных исследований. Недостаточно изучено влияние интенсивности пожаров на эмиссию углерода и его послепожарное накопление.
Послепожарные эмиссии углерода, являющиеся следствием медленного высвобождения углерода вследствие деструкции и гниения погибшей от огня, но не сгоревшей лесной растительности, тесно взаимосвязаны с послепожарной лесовосстановительной динамикой. До сих пор остается открытым вопрос, какой период времени после пожара необходим для v перехода'экосистемы'из состояния источника в состояние стока.
Целью диссертационной работы является оценка воздействия лесных низовых пожаров разной интенсивности на эмиссию, запас и баланс углерода в среднетаежных сосняках лишайниково-зеленомошных.
Основные задачи исследования:
1. Определение запасов углерода в среднетаежных сосняках
лишайниково-зеленомошных;
Оценка величины эмиссии углерода при лесных низовых пожарах;
Исследование динамики накопления углерода после пожаров разной интенсивности;
Оценка воздействия пожаров на баланс углерода в среднетаежных сосняках лишайниково-зеленомошных.
Защищаемые положения:
1. В среднетаежных сосняках лишайниково-зеленомошных эмиссия
углерода при лесных низовых пожарах низкой интенсивности в 4,5, средней
- 5,4, высокой - 12,6 раз превосходит ежегодный минерализационный поток
и определяется условиями погоды и характеристиками пожара.
2. Низовые пожары независимо от их интенсивности в течение первых
5 лет после воздействия обусловливают функционирование лесной
экосистемы в качестве источника углерода в атмосферу.
Научная новизна
Впервые в среднетаежных сосняках лишайниково-зеленомошных экспериментальным путем количественно определена эмиссия углерода при лесных низовых пожарах разной интенсивности в зависимости от параметров горения. Выявлена связь эмиссии углерода с погодными условиями и интенсивностью горения на кромке пожара. Получены данные по послепожарному накоплению углерода надземного органического вещества в сосняках в зависимости от интенсивности горения. Установлено, что сосняки лишайниково-зеленомошные, являющиеся до пирогенного воздействия стоком для углерода атмосферы, в первые 5 лет после пожара являются его источником.
Практическая значимость
На основе моделей, полученных для среднетаежных сосняков лишаиниково-зеленомошных, возможно прогнозирование эмиссии углерода в зависимости от метеорологических условий и характеристик пожара. Результаты исследований могут быть использованы для оценки вклада низовых пожаров разной интенсивности в баланс углерода в лесных экосистемах и определения их статуса.
Личный вклад автора
Диссертационная работа выполнена в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и является частью исследований, выполненных в рамках планов СО РАН и проектов Российского фонда фундаментальных исследований № 01-04-49340 «Оценка воздействия пожаров на эмиссии, баланс углерода и стабильность лесных экосистем Средней Сибири» (2001-2003), № 04-04-49384 «Оценка воздействия пожаров на лесные экосистемы Средней Сибири и мониторинг запасов углерода» (2004-2006), № 07-04-00562 «Моделирование и мониторинг воздействия пожаров разной интенсивности на эмиссии углерода и устойчивость светлохвойных лесов Средней Сибири» (2007-2009), российско-американского проекта № 05-04-476 «Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири» (Estimating and Monitoring Effects of Area Burned and Fire Severity on Carbon Cycling, Emissions, and Forest Health and Sustainability in Central Siberia) (2000-2007) и проекта МНТЦ № 3695 «Газовые и аэрозольные эмиссии от лесных пожаров в России: Воздействие на химическое, радиохимическое и оптическое качество атмосферы, углеродный цикл, радиоэкологические последствия и устойчивость биоценозов» (2008-2010).
Исследования были поддержаны индивидуальными грантами для молодых ученых Красноярского краевого фонда науки № 10TS047 (2006), № 17G063 (2007), № 18G099 (2008) и № 13Т62 (2008).
Все исследования (полевые работы, сбор и обработка образцов, анализ, обобщение и интерпретация полученных результатов) по теме диссертации выполнены автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы
Результаты исследований и основные положения диссертации представлены в виде научных докладов на научно-практической конференции "Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края" (Красноярск, 2002), всероссийских научно-практических конференциях "Лесной и химический комплексы: проблемы и решения" (Красноярск, 2003, 2004, 2005), научно-методической конференции "Экологическая безопасность Красноярского региона" (Красноярск, 2004), международных конференциях "Climate disturbance interactions in Boreal forest ecosystems. IBFRA: 12th annual scientific conference" (Alaska, USA, 2004), "New Challenges in Management of Boreal Forests. IBFRA: 13 annual scientific conference" (Umea, Sweden, 2006) и "IBFRA: 14th annual scientific conference" (Harbin, China, 2008), международной конференции "Влияние изменений климата на бореальные и умеренные леса" (Екатеринбург, 2006), конференциях молодых ученых "Исследования компонентов лесных экосистем Сибири" Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (Красноярск, 2006, 2007, 2008), конференциях молодых ученых Красноярского научного центра СО РАН (Красноярск, 2007, 2008), международном рабочем совещании NEESPI (Jena, Germany, 2008), всероссийской конференции с международным участием "Пожары в лесных экосистемах Сибири" (Красноярск, 2008), международной конференции Американского Геофизического Общества (San-Francisco, USA, 2008).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 23 научные работы, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах (по списку ВАК).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, . выводов, списка использованной литературы и двух приложений. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 39 таблиц и список использованной литературы, включающий 229 источников, в том числе 82 на английском языке.
Благодарности Автор выражает глубокую признательность научному руководителю с.н.с, д.б.н. Г.А. Ивановой за научное руководство в ходе выполнения диссертационной работы, а также за организацию и проведение комплексных экспериментов. Автор искреннее благодарен С. Конард (Федеральная Лесная Служба США) и Д. МакРею (Канадская Лесная Служба) за финансовую и научную поддержку комплексных исследований. Автор выражает признательность д.с.-х.н., зав. кафедрой лесоводства СибГТУ В.А. Иванову и сотрудникам Института леса СО РАН д.б.н. П.А. Цветкову,
к.б.н. рВ.Д. Перевозниковой] и Е.Н. Краснощековой за помощь при проведении полевых исследований и анализе материалов, а также студентам СибГТУ, принимавшим участие в полевых работах. Особая благодарность к.б.н. О.В. Трефиловой за ценные советы при расчете баланса углерода.
Природные пожарные режимы
При характеристике рельефа, почв, климата и растительности района исследования использовался ряд работ (Средняя Сибирь, 1964; Леса СССР, 1969; Горожанкина, Константинов, 1978; Корсунов и др., 1979; Пармузин, 1985; Валендик, 1990; Коротков, 1994; Атлас Красноярского края и Республики Хакасия, 1994; Ершов, 2002; Плешиков, 2002; Плешиков, Калашников, 2002; Стаканов, 2002). Территория района проведения эксперимента расположена в районе п. Ярцево на Енисейской равнине, которая является дренированным участком восточной окраины Западно-Сибирской низменности. Низменность занимает прилегающую к Енисею полосу его левобережья и частично правобережья, ее слагает мощный платформенный чехол из палеозойских и мезокаймозойских осадочных отложений. На Западно-Сибирской низменности выделяют области пологих поднятий и впадин, отражающих тектонические движения отдельных глыб глубоко погруженного фундамента. Глубокому погружению Касской впадины отвечает озерно-аллювиальная сильно заболоченная Касская низина.
Под всей Западно-Сибирской низменностью залегает жесткая плита, состоящая из сильно метаморфизованных палеозойских пород, смятых во время герцинской складчатости. Во время серии разломов, неоднократно происходивших в последующие эпохи, Западно-Сибирская плита имела преимущественную тенденцию к опусканию. В результате она заполнилась относительно спокойно залегающими слоями, начиная от верхнеюрских песчаников, конгломератов, морских глин и кончая палеогеновыми, частично неогеновыми и четвертичными, преимущественно песчано-глинистыми слоями. Полоса Сибирской Увалов (200—291 м), идущая от Урала до Енисея, отделяет северную часть равнины от южной. Дубчесские возвышенные равнины с Сибирскими увалами занимают северную часть средней тайги на левобережье Енисея, Елогуй-Дубчесские ледниковые краевые холмистые и Сым-Дубчесские возвышенные равнины -центральную, а Кас-Сымские водно-ледниковые равнины - юго-западную часть. Сым-Дубчесские возвышенные равнины образованы меловыми и палеогеновыми отложениями, перекрытыми сверху ледниковыми песчаными, а в верховьях левосторонних притоков Сыма суглинистыми отложениями. Район Кас-Сымских водно-ледниковых равнин соответствует блоку чередующихся активных неотектонических выступов и грабенообразных впадин.
Геологическое строение территории средней тайги очень разнообразно. На западе подзоны простирается Енисейский кряж, образованный докембрийскими кристаллическими и палеозойскими осадочными породами. Кряж сильно денудирован, низкогорный, глубоко расчленен речными долинами с преобладающими высотами 800-900 м. Западные склоны кряжа, покрытые темнохвойными лесами, круто обрываются к долине Енисея, а восточные, к которым приурочены светлохвойные леса, постепенно понижаясь, сливаются с прилегающими равнинами и плато. .
Основная закономерность, управляющая генетическим разнообразием и географией почв гумидной таежно-лесной зоны приенисейского сектора Западно-Сибирской равнины, — биоклиматическая зональность, которая контролируется степенью дренированности территории и гранулометрическим составом почвообразующих пород. Избыточная атмосферная влага в сочетании с плохой дренированностью территории и тяжелым гранулометрическим составом пород (суглинки, глины) определяет широкое развитие полугидроморфных и гидроморфных почв. В условиях дренированного рельефа на породах легкого состава (пески, супеси) формируются мезоморфные почвы (подзолы). Степень заболоченности почв и роль гидроморфных процессов в почвообразовании уменьшается с севера на юг. Енисейская равнина сложена зандровыми песками и песчаными аллювиальными отложениями. Равнинный рельеф обусловливает сильную извилистость русел рек с медленным течением. Избыточная атмосферная влажность и высокое стояние зеркала грунтовых вод способствовали образованию огромного количества малых озер и болот. Большие пространства плакоров низменности заняты болотами, а леса приурочены к дренированным склонам междуречий и к долинам рек. Среди почвообразующих пород преобладают различные суглинки водного генезиса. В речных долинах и древних ложбинах стока широко распространены аллювиальные пески и супеси.
На территории Западно-Сибирской низменности завершается трансформация атлантического воздуха в континентальный и характеризуется закономерным нарастанием континентальности с севера на юг. Следствием этого является четкая зональность ландшафтов и деление на подзоны значительно более определенное. Выражена смена широтных зон: от лесотундры на севере до лесостепей на юге. Разнообразие комплекса природных условий обусловлено многими факторами: климатическими, геологическими, рельефом.
Таежные леса Касс-Енисейской равнины можно объединить в следующие четыре группы: зеленомошная, разнотравная, высокотравная и сфагновая. Фоновыми являются зеленомошная и разнотравная группы, которые, по данным лесоустройства, занимают соответственно 40 и 36% лесопокрытой площади.
Запас углерода органического вещества на поверхности почвы в сосняке лишайниково-зеленомошном
Напочвенный покров на экспериментальных участках дифференцирован по условиям микросреды, общее проективное покрытие его определяется сомкнутостью крон. Структура покрова четко выражена, обусловлена микрорельефом, постоянно корректируется давностью и интенсивностью последнего пожара (Перевозникова и др., 2005). Микропонижения заняты багульниково-бруснично-сфагновыми синузиями. Общее проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса варьирует от 15 - 20% до 40%, высота 20 - 35 см. Доминируют кустарнички, соотношение которых в зависимости от условий местопроизрастания может существенно меняться. В более дренированных экотопах преобладает Vaccinium vitis idaea, в мезотрофных - Vaccinium myrtillus, с повышенным увлажнением - Ledum palustre, в переувлажненных - болотные кустарнички и Sphagnum. Моховой покров от 60 до 100%, доминирует Pleurozium schreberi. Лишайниковый покров развит повсеместно, но проективное покрытие очень сильно варьирует от 20 до 100% с абсолютным доминированием на сильно прогоревших участках во время последнего пожара (рис. 3.3). Карта напочвенного покрова по микроассоциациям была любезно предоставлена В.Д. Перевозниковой и Н.М. Ковалевой (рис. 3.4).
Общий запас органического вещества на поверхности почвы включает в себя запас трав и кустарничков, подроста до 0,5 м, опада, мхов, лишайников и подстилки, а также упавших древесных горючих материалов.
Запас проводников горения, включающий опад, мхи и лишайники, определяет возможность распространения горения в лесу (Курбатский, 1970а). Запас опада на пробных площадях небольшой и не превышает 300 г/м2. Во фракционном составе его (исключая упавшие древесные ЛГМ) преобладают шишки и хвоя сосны (рис. 3.5). На долю отмерших трав и кустарничков (ветошь) приходится лишь 1% от общей массы опада, так как общий запас травяно-кустарничкого яруса на экспериментальных участках незначителен. ветошь 1%
В связи с тем, что канадская методика послойного взятия образцов напочвенных горючих материалов, которую мы используем, не разделяет важные с пирологической точки зрения запасы в насаждении кустистых лишайников, мхов и подстилки, то мы дополнительно отбирали образцы по методике Н.П. Курбатского (1970). Соотношение запаса лишайниково-мохового покрова к подстилке составило 1 : 1,7-2,5 (табл. 3.7). Преобладание подстилки свидетельствует о доминировании в напочвенном покрове мхов, под которыми образуется значительный слой мертвого органического вещества (очес мха и подстилка), в отличие от лишайникового покрова, который обуславливает формирование только тонкого слоя подстилки (до 1 - 2 см толщины). При этом на мох приходится от 43,8 до 75,5% от общего запаса лишайниково-мохового покрова на экспериментальных участках. Таким образом, на мхи и лишайники, которые сгорают почти полностью и составляют основную долю эмиссии углерода, высвобождающегося при низовых пожарах, приходиться от 4,13 до 6,46 тС/га на участках. Запас подстилки, вклад которой в эмиссию углерода в значительной степени определяется ее влагосодержанием и, как правило, под моховыми синузиями процент ее сгорания невелик, варьирует на участках от 5,90 до 11,20 тС/га.
Упавшие древесные горючие материалы (табл. 3.8) характеризуются большим коэффициентом вариации (от 187 до 302%, при точности опыта от 23,5 до 40,4%). Такая низкая точность опыта обусловлена неравномерностью распределения ветвей и валежа по площади и различными размерами этих остатков. Так, на древесные элементы, диаметр которых превышает 7 см, приходится до 90% общего запаса упавших древесных ЛГМ, а их количество незначительно и встречаются они не на всех измеряемых точках. Из упавших древесных материалов до 7 см преобладающими по запасу являются элементы III класса диаметра, размером от 1,0 до 2,99 см (до 11%). Запас ветвей и валежа варьирует по участкам от 4,40 до 16,88 т/га или 2,20 до 8,44 тС/га. На первые два класса диаметра упавших древесных ЛГМ, сгорающих при пожаре, как правило, полностью, приходится от 0,16 до 0,34 тС/га.
Варьирование запасов на участках определяется, как давностью низового пожара, так и мозаичностью живого напочвенного покрова. Наибольший процент органического вещества приходится на мхи, лишайники и подстилку. Их доля в общем запасе составляет 58,0 - 87,8%. Доля трав и кустарничков в запасе колеблется от 0,5 до 1,6 %, опада - 2,2 — 6,2%, упавших древесных материалов - 9,3 - 34,6%.
Общие запасы ЛГМ варьируют как между участками, так и внутри участка. Коэффициент варьирования внутри участка составляет от 24 до 46%. При таком варьировании 25 точек дают достаточную точность (от 5,1 до 9,1%). Травяно-кустарничковая растительность (при доминировании кустарничков) характеризуются большим коэффициентом вариации (от 50 до 170%) в связи с неравномерностью распределения по площади и ее малым запасом (до 0,34 тС/га).
Давность последнего пожара, а также различия в нанорельефе между участками и синузиальная структура живого напочвенного покрова, обуславливают разницу в запасах напочвенных ГМ и определяют различную скорость восстановления после огневого воздействия.
Так, значительные запасы упавших древесных материалов на 2 и 13 участках (в основном за счет древесных элементов более 7 см - упавших стволов в различной стадии разложения) обусловлены, скорее всего, высокой интенсивностью последнего пожара и, следовательно, большим отпадом деревьев на данном участке в результате сложившихся микроклиматических условий.
Оценка количества сгоревших ЛГМ и эмиссия углерода при лесных пожарах
Оценка количества поглощенных во время пожаров ЛГМ важна, так как они предопределяют другие последствия. Сгорающие ЛГМ являются источником теплоты, образующейся при горении. Чем больше сгорает проводников горения, таких как опад, лишайники, мхи, древесные веточки, подстилка, тем больше- выделяется тепла. Следовательно, и более значительно тепловое воздействие на деревья, растительность и почву. Кроме того, количество сгорающих ЛГМ воздействует на баланс углерода и другие геохимические циклы. В сосняках, где преобладают низовые пожары, в основном сгорают напочвенные ЛГМ. В научной литературе данные, полученные экспериментальным путем по сгорающей при пожарах биомассе, немногочисленны (Stocks, 1987; Shea et al., 1996; Brown, Reinhardt, Fischer, 1991; McRae, 1999; Валендик и др., 2000; 2001; Stocks et al., 2004). Имеются работы расчета сгорающего количества ЛГМ при помощи огневых экспериментов (Nelson, Adkins, 1986; Софронов, Волокитина, 1990; Hille, Ouden, 2005), а также путем учета биомассы на гарях и сопоставления с запасом на несгоревшей близлежащей территории (Czimczik et al., 2003).
Низовые пожары в ходе проведения наших экспериментов только участках 2, 14 и 20 охватили всю площадь участка. На остальных экспериментальных участках мозаичность прогорания (59 - 96%), как правило, была обусловлена более высоким влагосодержанием напочвенного покрова (мхов) в пониженных элементах нанорельефа (табл. 4.6, рис. 4.3).
В зависимости от интенсивности горения и влагосодержания напочвенного покрова, при пожарах может сгорать от 0 до 100% горючих материалов (Kasischke, Christensen, Stocks, 1995). В ходе проведения наших экспериментов полнота сгорания по отдельным видам горючих материалов составила от 3 до 100% от их запаса до пожара. Количество сгоревшего материала, рассчитанное как разница между запасом ЛГМ до и сразу после эксперимента, варьировало на участках от 9,6 до 30,7 т/га (табл. 4.7).
Так как пожары моделировались низовые, кроновые горючие материалы не участвовали в процессе горения. Полностью сгорели опад и лишайники, упавшие древесные материалы диаметром до 0,5 см и кустарнички. Мхи и подстилка сгорели частично. Древесные материалы диаметром больше 0,5 см только обгорели. При этом, чем больше диаметр был у древесного элемента, тем меньший его процент поглотился во время горения. Исключение составили древесные элементы большей степени разложения, которые продолжали тлеть длительное время после прохождения кромки пожара.
Количество сгоревших напочвенных ЛГМ (в % от их общего запаса до пожара) составило: для высокоинтенсивных низовых пожаров - 74%, средней интенсивности - 29 - 51%, слабой интенсивности - 26 - 43%. Связь количества сгоревших ЛГМ с показателем ПВ - 1 тесная и характеризуется коэффициентом корреляции 0,80.
После экспериментальных пожаров запас углерода органического вещества на поверхности почвы значительно уменьшился, причем на участке 14 с высокой интенсивностью кромки пожара наблюдается наибольшее снижение запаса углерода - до 74% (рис. 4.4), а на участке 19, где было низкоинтенсивное горение, запас уменьшился лишь на 26% от допожарного значения.
Для пожаров средней интенсивности (участки 2, 6, 20, 21), которые носят устойчивый характер, наблюдается тенденция наибольшего абсолютного снижения запаса углерода мхов, лишайников и подстилки, запас которых на участках до пожара был высокий (зависимость значительная, коэффициент корреляции 0,59). На данную особенность указывали также Т.Л. Томас и Д.К. Аги (Thomas, Agee, 1986) при проведении контролируемых выжиганий в смешанных хвойных древостоях Канады. Для пожаров низкой интенсивности такой зависимости не обнаружено, что, вероятно, связано с тем, что пожар слабой интенсивности, как правило, носит беглый характер и не заглубляется в подстилку.
Таким образом, эмиссия углерода составила от 4,8 при низкоинтенсивном низовом пожаре до 15,4 тС/га при высокоинтенсивном низовом пожаре. Наибольшее количество углерода выделилось при сгорании мхов, лишайников и подстилки (64 - 88%) от общего количества выделившегося углерода), на которые и до пожара приходился его основной запас (58 -89% ). Вклад опада и упавших древесные ГМ в эмиссию углерода составляет 0,7-3,5 т/га (10 — 33%).
Несмотря на то, что для каждого участка была рассчитана средняя интенсивность горения на кромке пожара, внутри участков ее варьирование было достаточно широко. С целью определения выхода эмиссий углерода в зависимости от интенсивности пожара, мы использовали данные для отдельно взятых измерений интенсивности (рис. 4.7). Коэффициент корреляции между выходом углерода и интенсивностью горения составил 0,51 (значительная зависимость). Тесной связи между данными показателями не было получено, так как в ходе эксперимента моделировалось поведение природного пожара, который характеризуется значительными колебаниями в естественных условиях. Следует также отметить, что интенсивность горения на кромке пожара в большей степени зависит от скорости распространения (Byram, 1959; McRae et al., 2006), а выход эмиссий углерода определяется количеством сгоревшего материала.
Динамика состава и запаса опада в сосняках после пожара
При разных гидротермических режимах соотношение между ежегодным поступлением органического материала и его убылью в результате процессов минерализации различно, следовательно, различно и содержание углерода. В связи с этим ежегодный опад можно использовать как характеристику изменений подстилки (Кобак, 1988).
Сведения о динамике накопления опада и его годичной массе необходимы для лучшего понимания процессов формирования лесной подстилки. На накопление запасов опада существенное влияние оказывают возраст древостоя, тип леса и условия произрастания, а также климатические особенности каждого года.
Пожары вызывают изменение не только общей массы опада, но и влияют на соотношение в нем отдельных фракций. На увеличение массы опада в составе подстилки после пожаров и возрастание доли хвои указывал ряд исследователей (Санникова, 1977; Евдокименко 1979; 1983; Акунович 2003; Горшков, Ставрова, Баккал, 2005 и др.).
Запасы опада в сосняках учитывались нами до проведения экспериментальных пожаров и ежегодно после них. Даже при низкоинтенсивных пожарах опад почти полностью сгорал при горении, исключение составляли лишь шишки, величина недожога которых зависела от их влагосодержания, степени разложения и интенсивности пожара. Веточки в структуре опада нами не рассматривались, поскольку они учитывались отдельно, как упавшие древесные элементы методом пересеченных линий (закономерности их изменений после пожаров описаны ниже).
Изменение запаса опада по фракциям и по годам приведено в таблице 5.5. Наибольшим варьированием характеризуется ветошь драв и кустарничков (в связи с их очень малым запасом), представленность которых в структуре опада зависела от времени взятия образца. Запас шишек также имеет большой коэффициент вариации (90 - 130%), и, следовательно, значительную ошибку среднего значения, в связи с их неравномерным распределением по территории.
В первый год после высокоинтенсивного пожара (участок 14) произошло наибольшее увеличение запаса опада (рис. 5.6). При значительном повреждении древесного яруса после пожара наблюдается повышение температуры почвы в летний период и временное увеличение содержания в ней минеральных соединений в результате выгорания напочвенного покрова и подстилки (Kasischke, Christensen, Stocks, 1995; Горшков, Ставрова, Баккал, 2005). Через два года после высокоинтенсивного пожара общий запас опада близок к допожарному значению, но при этом происходит изменение его фракционного состава (рис 5.7а). Если до пожара в составе опада по массе преобладали шишки (56%), то в первые три года после прохождения огня 73 - 84% приходится на хвою, а на 4 - 5 гг., в связи с гибелью древостоя (89,3% по количеству деревьев) и отпада коры с погибших деревьев, в составе резко возрастает ее доля, достигая до 41% от массы в абсолютно-сухом состоянии. В дальнейшем прогнозируется резкое снижение поступления древесного опада в связи с почти полной гибелью древесного яруса вплоть до восстановления основных параметров древесного яруса.
После низкоинтенсивных пожаров (участки 3, 4, 13, 19) запас опада снижается и в первые два года меньше допожарного на 14 - 48%. Далее он постепенно возрастает и на четвертый - пятый год достигает допожарное значение (рис. 5.6). В отличие от высокоинтенсивного пожара, доля коры во фракционном составе опада не имеет тенденции к увеличению, а остается на протяжении 3-5 лет после пожаров слабой интенсивности, примерно, на одном уровне, варьируя на разных участках от 13 до 25% от общего запаса опада (рис. 5.7в).
Во всех случаях после пожаров происходит увеличение доли хвои, которая через год после прохождения огня становится доминирующей фракцией. Так как основной отпад деревьев происходит в первые два года, то именно на эти годы приходиться наибольшее количество отпавшей хвои. Далее соотношение изменяется, доля хвои постепенно уменьшается, через пять лет приближаясь к допожарному значению, но все еще несколько превышая его. Запас шишек, составляя до пожара 35 — 65% от запаса опада, после прохождения огня резко снижается. Наибольшее поглощение шишек (в 8,5 раз) происходит при высокоинтенсивном пожаре, после которого на четвертый - пятый год в 2,5 раза увеличиваются запасы коры (рис. 5.8).
Запас отмерших трав и кустарничков в общем запасе опада очень мал, не превышает 4% и во многом определяется временем взятия образцов. Исключением является лишь 14 участок, пройденный пожаром высокой интенсивности, на котором, в связи с почти полной гибелью древостоя и изменением гидротермических условий, произошло разрастание травяного покрова. Поэтому на данном участке спустя пять лет после пожара запас отмерших трав и кустарничков составил около 10% от общего запаса опада.
Изучение воздействия пожаров на напочвенный покров привлекает внимание исследователей на протяжении многих десятилетий. Объектом исследований являлись послепожарные изменения видового состава и запаса живого напочвенного покрова (Смирнов, 1970; Иванова, 1985; Курбатский, Иванова, 1987; Фуряев, 1996; Буряк и др., 2003), а также химических и биологических свойств подстилки (Попова, 1975; 1980; Горбачев, Попова, 1992). Однако эти работы в большинстве своем проводились либо путем сравнения разновозрастных гарей, либо на участках лесной территории, пройденной пожарами разной интенсивности. При этом интенсивность горения оценивалась исходя из косвенных признаков (толщина напочвенного покрова, высота нагара и отпад деревьев).
Наши исследования позволяют получить количественные характеристики пожара, оценить запасы разных компонентов биогеоценоза до пирогенного воздействия и наблюдать за их послепожарной динамикой.
Так как в ходе эксперимента моделировалось поведение низовых пожаров, которые распространяются по напочвенному покрову, именно он претерпел наибольшие изменения. В процессе горения в зависимости от интенсивности пожара была поглощена значительная часть напочвенного покрова (гл. 4). Динамика запасов напочвенного покрова по отдельным компонентам после пожара приведена в таблице 5.6. На всех участках после пирогенного воздействия наблюдается постепенное увеличение запасов напочвенного покрова.
Несмотря на то, что на участках, пройденных огнем, травы и кустарнички полностью сгорели, уже через год после пожара они появляются в напочвенном покрове, и в дальнейшем происходит их разрастание.
