Содержание к диссертации
Введение
Глава 2. Район и объекты наблюдений. Программа и методика иследований 34
2.1. Район исследований 34
2.1.1. Климатические условия района исследований 34
2.1.2. Распространение и типологическое разнообразие сосновых лесов Средней Сибири 37
2.1.3. Характеристика экспериментальных участков 43
2.2. Программа исследований 55
2.3. Методика исследований 57
Глава 3. Пожары в лесах Средней Сибири 80
3.1. Горимость лесов 81
3.2. Экстремальные пожароопасные сезоны 86
3.2.1. Условия формирования экстремальных пожароопасных сезонов 92
3.3. Периодичность пожаров и средние межпожарные интервалы в сосновых лесах 106
3.3.1. Дендрохронологические исследования в лесах Сибири 108
3.3.2. Средний межпожарный интервал в сосновых лесах различных лесорастительных зон 112
3.3.3. Пространственная динамика межпожарных интервалов в сосняках Средней Сибири 145
Глава 4. Природная пожароопасность сосновых лесов Средней Сибири 149
4.1. Распределение запасов ЛГМ по породам и типам леса 160
4.2. Запасы ЛГМ в сосновых лесах Средней Сибири 164
4.3. Сезонная динамика ЛГМ 172
4.4. Элементный состав ЛГМ 182
4.5. Влагосодержание компонентов напочвенного покрова и сезонная динамика 191
4.6. Увлажнение живым напочвенным покровом проводников горения 210
4.7. Оценка пожароопасности сосняков разных типов леса 217
Глава 5. Поведение пожаров в сосновых лесах 222
5.1. Полигонное моделирование кромки пожара 226
5.2. Оценка факторов, влияющих на скорость продвижения кромки низового пожара 229
5.3. Моделирование поведения низовых пожаров в сосняках 235
5.3.1. Оценка запасов ЛГМ на экспериментальных участках 241
5.3.2. Условия проведения экспериментов по моделированию поведения низовых пожаров 244
5.3.3. Характеристики поведения низовых пожаров в сосняках 248
Глава 6. Оценка воздействия пожаров на компоненты экосистемы в сосновых лесах 261
6.1. Последствия пожаров первого порядка в сосняках 263
6.2. Последствия пожаров второго порядка в сосняках 277
Глава 7. Эмиссии углерода при пожарах в сосновых лесах 315
7.1. Межпожарные интервалы и площади пожаров в бореальных лесах 318
7.2.Эмиссии углерода при пожарах в сосновых лесах разных типов 322
7.3 Эмиссии углерода при пожарах различной интенсивности в сосновых лесах 325
Заключение 332
Список использованной литературы 334
Приложение 369
- Распространение и типологическое разнообразие сосновых лесов Средней Сибири
- Периодичность пожаров и средние межпожарные интервалы в сосновых лесах
- Влагосодержание компонентов напочвенного покрова и сезонная динамика
- Оценка факторов, влияющих на скорость продвижения кромки низового пожара
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в России ежегодно возникают десятки тысяч лесных пожаров и средняя площадь лесов, пройденных пожарами, составляет 900 тыс. га. (Одинцов, 1996). По экспертным оценкам эти площадь может быть значительно выше и достигать несколько млн.га ежегодно (Валендик, 1990; Conard, Ivanova, 1997; Ваганов, Сухинин, Фуряев, 1998; Сухинин, 2001).
Сосновые леса сосредоточены преимущественно в Сибири, где они составляют до 30% от всех хвойных лесов. При этом в них аккумулирована треть запасов углерода (Алексеев, Бердси, 1994). В связи с обширными площадями, высокой аккумуляцией органических веществ в почве, подстилке и надземной биомассе, сосновые леса имеют серьезное воздействие на глобальный бюджет углерода и химию атмосферы. В тоже время им присуща высокая природная пожарная опасность (Мелехов, 1947; Молчанов, 1954; Курбатский, 1962, 1970; Бузыкин, 1975; Валендик, Матвеев, Софронов, 1979; Курбатский, Иванова, 1987;.Фуряев, 1996; Волокитина, Софронов, 2002 и др.). На них приходится до 60% от общего количества лесных пожаров (Korovin, 1996), интенсивность которых широко варьирует в пространстве и во времени. Вид и интенсивность пожара влияют на эмиссии продуктов горения, отпад древесины и последующее восстановление растительности.
Прогнозируемое глобальное изменение климата, как ожидается, приведет к увеличению частоты лесных пожаров, расширению ареала их распространения и долгосрочной деградации лесорастительных условий, что может пагубно сказаться как на экологической, так и социальной безопасности людей во всех лесорастительных зонах планеты.
Планирование охраны лесов от пожаров, а также использование огня в различных целях лесного хозяйства должно регламентироваться применительно к конкретным лесным экосистемам, ландшафтам и подзонам тайги. Для этого необходимы исследования природы пожаров в лесных сообществах разного уровня, условий их возникновения, распространения и развития, а также лесоводственные, экологические и экономических последствия воздействия огня на компоненты экосистемы. Частота пожаров и интервалы между ними определяют состояние и динамику лесного покрова, поэтому их исследование и регулирование должно быть положено в основу пожароуправления.
Исследование зонально-географических особенностей последствий пожаров даёт возможность определить оптимальный межпожарный интервал в сосняках различных
лесорастительных зон. Важны исследование и обобщение пожарных режимов в плане зональных особенностей формирования комплексов горючих материалов в сосновых лесах.
Целью работы является исследование зонально-экологических особенностей лесных пожаров и их последствий в сосняках Средней Сибири в связи с влиянием климатических и эколого-фитоценотических факторов.
В связи с поставленной целью работы, основными задачами являлись:
Исследование пространственно-временных особенностей возникновения пожаров в лесах Средней Сибири;
Оценка природной пожарной опасности сосняков различных лесорастительных зон;
Характеристика поведения лесных пожаров в сосновых лесах и факторов его определяющих;
Оценка воздействия лесных пожаров на компоненты экосистемы на начальном этапе сукцессии и на эмиссию углерода.
Научная новизна. Впервые для сосновых лесов Средней Сибири исследованы в зонально-экологическом аспекте возникновение, развитие, распространение и последствия лесных пожаров. Выявлены особенности этих процессов по лесорастительным зонам под влиянием природных и антропогенных факторов. Впервые получены данные о периодичности пожаров, основанные на изменениях средних межпожарных интервалов в зависимости от лесорастительной зоны, ландшафтных особенностей территории и антропогенной нагрузки. Дана оценка природной пожарной опасности сосновых лесов с учетом формирования комплексов горючих материалов в различных лесорастительных зонах. Раскрыт механизм влияния живого напочвенного покрова на возникновение и распространение пожаров в сосняках. Моделирование поведения лесных пожаров позволило получить статистические модели, определяющие зависимость характеристик пожара от погодных условий. Даны количественные оценки интенсивности на кромке горения, которые положены в основу классификации интенсивности пожаров в сосновых лесах. Приведена оценка воздействия пожаров разной интенсивности на компоненты лесных экосистем на начальном этапе сукцессии и на эмиссию углерода в атмосферу.
Практическая значимость. Разработана классификация интенсивности пожаров в сосновых лесах, которая может использоваться для стратегического и тактического планирования пожароуправления. Рассчитаны статистические модели, позволяющие прогнозировать параметры поведения пожара в сосняках в зависимости от лесопожарного показателя засухи. Полученные данные об эмиссии углерода при пожарах разной интенсивности предназначены для применения при оценке экологического состояния окружающей среды.
Шкалы пожарной опасности лесных участков нашли применение при разработке технического проекта противопожарного устройства Болыне-Муртинского лесхоза Западно-Сибирским филиалом «Союзгипролесхоза» и при лесоустройстве этого лесхоза Восточно-Сибирским государственным лесоустроительным предприятием.
Результаты исследований использованы в «Указаниях по применению контролируемых выжиганий на вырубках в равнинных и низкогорных темнохвойных лесах Красноярского края», действующих с 1999 года.
Материалы диссертации используются в учебном процессе по дисциплине лесная пирология при подготовке инженеров лесного хозяйства на лесохозяйственном факультете СибГТУ по специальности 260400.
Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие защищаемые положения:
Периодичность возникновения лесных пожаров в сосняках Средней Сибири определяется географической зональностью, взаимосвязанностью элементов ландшафта, климатом и антропогенной нагрузкой.
Развитие и распространение пожаров в сосновых лесах обусловлено зональной растительностью, морфоструктурой насаждения, запасом напочвенных горючих материалов, наличием и состоянием травяно-кустарничкового яруса, динамикой погодных условий.
Начальный этап послепожарной сукцессии сосняков определяется условиями произрастания, допожарным типом леса, видом и интенсивностью последнего пожара.
При лесных пожарах в сосняках эмиссия углерода составляет от 4.8 до 15.4 т/га в зависимости от интенсивности горения, что в 3 - 12 раз больше, чем высвобождается при естественном процессе разложения в течение года, и экосистема переходит в состояние источника углерода.
Апробация работы. Результаты исследований многократно докладывались на совещаниях, семинарах, конференциях и симпозиумах. В их числе: международная конференция «Пожары в экосистемах северной Евразии» (Красноярск, 1993), международная конференция «Лесные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия» (Томск, 1995), XX Международный лесной конгресс (Тампере, Финляндия, 1995), международная конференция «Нарушения в бореальных экосистемах: влияние человека и природные процессы» (Дулут, США, 1997), международная конференция «Пересекая тысячелетие: интегрирование новых технологий и экологических принципов для нового этапа в пожарном управлении» (Бойзе, США, 1999), международная конференция «Роль бореальных лесов и лесоуправления в глобальном бюджете углерода (Эдмонтон, Канада, 2000), международное совещание «Бореальные леса и окружающая среда:
7 локальный, региональный и глобальный уровни» (Красноярск, 2002), международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2003), Всероссийское совещание «Дендрохронология: достижения и перспективы» (Красноярск, 2003), Всероссийская конференция «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (Красноярск, 2004).
Публикации. Результаты исследований по диссертации опубликованы в 64 научных работах, в т.ч. четыре монографии в соавторстве. Основные из них приведены в автореферате.
Организация исследований. Диссертационная работа является результатом 30-летних исследований автора, выполненных в Институте леса им. В.Н.Сукачева СО РАН и является частью исследований, входивших в планы НИР СО РАН. Автор являлась научным руководителем ряда тем, разделов и грантов (в том числе международных и российских) по исследованию природы лесных пожаров и их последствий в сосновых лесах. Она разрабатывала программы и методики, анализировала и обобщала результаты научных исследований.
В комплексных исследованиях по моделированию поведения лесных пожаров и воздействию их на компоненты экосистемы в сосновых лесах, в рамках российско-американского проекта и грантов РФФИ, при ведущей роли автора, принимали участие научные сотрудники Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН: к.б.н. И.Н. Безкоровайная, программист Н.Н. Волосатова, к.с-х.н. В.А. Иванов, к.б.н. Н.М. Ковалева, н.с. Е.К. Кисиляхов, к.б.н. В.Д. Перевозникова, д.б.н. Н.Д. Сорокин, к.б.н. П.А. Тарасов, к.с-х.н. П.А. Цветков и Института химической кинетики и горения СО РАН: д.ф.-м.н. проф. К.П. Куценогий, к.х.н. Ю.Н. Самсонов. Всем названным коллегам по работе автор приносит искреннюю благодарность. Особая благодарность С. Конард (Лесная служба США) и Д. Макрею (Лесная служба Канады), без помощи которых было бы невозможно проведение экспериментов по моделированию поведения пожаров.
Автор признательна д.с-х.н., проф. Н.П. Курбатскому и д.с-х.н., проф. Э.Н. Валендику за постоянный интерес к работе и научные консультации, а также д.б.н., проф. А.П. Абаимову, за ценные советы, которые были учтены при подготовке рукописи диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Объем рукописи составляет 368 стр. и включает 60 таблиц, 71 рисунок и список использованной литературы, содержащий 503 источника, в том числе 131 в иностранных журналах.
Распространение и типологическое разнообразие сосновых лесов Средней Сибири
Исследования природы лесных пожаров и пожарных режимов проводились в сосновых лесах Средней Сибири, Частично сравнительные исследования проводились в лиственничниках, ельниках, пихтарниках, березняках и осинниках. Но так как основными объектами являлись сосняки, то мы более подробно рассмотрим ареал их распространения.
Выбор сосновых лесов был основан на априорной информации об их высокой пожарной опасности и широком распространении в Сибири. Распределение площадей и запасов сосновых лесов по регионам Российской Федерации приведено в табл. 2.1. Сосняки в Сибири произрастают на территории более 74 млн.га, а в Красноярском крае их площадь составляет 9.6 млн.га. Географическое распределение сосновых лесов определяется зонально-климатическими факторами. Способность сосны компенсировать неблагоприятные климатические воздействия за счет эффективного использования местных эдафических условий, обеспечивает ей более широкий потенциальный климатический ареал (Шиманюк, 1962).
Северная граница ареала сосны главным образом климатическая: в Сибири она довольно близко совпадает с южной границей сплошной вечной мерзлоты (рис.2.1). Северная граница ареала распространения сосновых лесов проходит по параллели 66 с.ш. (Шиманюк, 1962; Правдин, 1964). В значительной мере она и фитоценотическая, так как густой лишайниковый и моховой покровы в лесотундре препятствуют ее возобновлению.
Южная граница проходит по 50-54сш и носит островной характер, что обусловлено истреблением сосны пожарами и рубкой, а также эдафическими факторами — южные форпосты сосны обыкновенной связаны с песчаными почвами, обнажениями гранита и мела. Восточная граница ареала доходит до реки Лены (Лащинский, 1981).
Сосновые леса представлены в Сибири одной формацией - Pineta silvestris (Шумилова, 1962). Сосна более теплолюбива, чем лиственница, особенно даурская (Гмелина). В резко континентальном климате она является эдификатором лишь в южной половине бореальной области, образуя островные массивы среди степей. На север же сосновые массивы распространяются экстразонально, лишь в климате с ослабленной континентальностью (европейская территория России). В Западной Сибири, сосна отстает от лиственницы в своем распространении на север, а к востоку от Енисея границы этих пород резко расходятся, и сосна частично переходит через Нижнюю Тунгуску, то есть за 64-65 с.ш.
Основная область распространения сосновых лесов в Средней Сибири приурочена к бассейну Ангары - ее верхнему и среднему течению, а также ее водоразделу с верховьями рек Подкаменная Тунгуска, Лена и Нижняя Тунгуска. Сосновые леса занимают здесь разнообразные местообитания на площади 3851.9 тыс.га. Они представлены тремя группами типов леса: лишайниковой, зеленомошной и разнотравной. Лишайниковая группа типов леса в Приангарье занимает не более 6% занимаемой площади, 67% площади занято (примерно поровну) сосняками разнотравной и зеленомошной групп типов леса (Жуков и др., 1969).
Наряду с основной областью своего распространения сосновые леса имеют островные местонахождения, связанные со степной областью юга Сибири и Казахстана. Так называемые ленточные боры пересекают полосами различной величины безлесные степные пространства Западной Сибири.
Сосна растет преимущественно на почвах легкого механического состава, подзолах, подзолистых серых, бурых черноземных, часто на торфяно-болотных почвах, а в горах кроме того, на каменистых почвах и обнажениях изверженных и осадочных горных пород вплоть до меловых. В Восточной Сибири она растет и на почвах, подстилаемых вечномерзлым грунтом. Может подниматься в горы на высоту в Алтае - 1400-1500м, а в Восточном Саяне-до 1800-1850 м (Соколов, Связева, Кубли, 1977).
На Западно-Сибирской равнине сосновые леса разрозненными массивами представлены в пределах лесной и лесостепной зон. В Средней Сибири сосновые леса широкой полосой окаймляют все лесостепные массивы, являясь как бы переходной полосой от лесостепи к темнохвойной тайге Енисейского кряжа и Саян (Лащинский, 1981). В растительном покрове Приангарья преобладают сосновые леса, занимающие 50-60% площади (Белов, Ряшин, 1965).
Сосна обладает большой амплитудой пластичности, но мало конкурентоспособна в силу своего светолюбия. Наличие стержневого корня предохраняет сосну от действия низового пожара, откуда возникло мнение о приуроченности сосновых насаждений к гарям, что верно лишь отчасти.
В пользу зонального характера сосновых лесов на юге Средней Сибири говорит то обстоятельство, что в бассейне Ангары на огромном пространстве расстилаются почти сплошные массивы сосновых лесов, занимающих самые разнообразные местоположения, за исключением небольших участков плоских слабодренированных водоразделов, и образующих большое количество различных ассоциаций. Л.В Шумилова (1962) предполагает, что район бассейна реки Ангары представляет исторически сложившуюся сосновую зону, которая сформировалась еще в начале голоцена.
В восточной части ареала в составе сосновых лесов появляется нередко значительная примесь лиственницы, а также встречаются ассоциации сосново-лиственничных лесов, в которых совокупность нижних ярусов не отличается от сосновых боров. Сосново-лиственничные и лиственнично-сосновые леса распространены в предгорьях и горных долинах Саян. Наиболее разнообразной и типичной для сосновой зоны является группа кустарниковых лесов (Pineta fruticosa), в состав которой входят как крупно-кустарниковые ассоциации (ольховые, рододендроновые, ерниковые, кедровниковые), так и кустарничковые (голубичные, брусничные, толокнянковые, черничные, багульниковые и др.).
Периодичность пожаров и средние межпожарные интервалы в сосновых лесах
Под периодичностью лесных пожаров понимают закономерное распределение их во времени на определенной территории. Она связана с периодическими изменениями климата, проявляющимися в чередовании сухих и влажных периодов (Лесная энциклопедия, 1990). Кроме того, периодичность лесных пожаров на одной и той же территории обусловлена накоплением лесных горючих материалов до критического запаса и распределением их по площади (Курбатский,1964; Софронов, 1967).
Реконструкция прошлых пожаров позволяет выявить природные пожарные режимы, характерные для данного насаждения или данного ландшафта. В настоящее время, все меньше остается девственных лесов. На современные бореальные леса действует пресс антропогенных факторов, в том числе рубок. Поэтому важно исследование истории пожаров в бореальных лесах, выявление их периодичности и природных пожарных режимов для пожароуправления. Реконструкция лесных пожаров позволяет восстановить многовековую ретроспективу прошлых пожарных режимов, которую можно взять как основу для сравнения с современными, а также для прогнозирования тенденций развития лесных экосистем. Результаты дендрохронологического исследования также информативны и полезны в плане объяснения пожарных режимов и структуры леса.
До 20 века имеются лишь некоторые литературные данные о годах с лесными пожарами, которые содержатся в летописных манускриптах. Исследования в конце 19 — начале 20 века носили эпизодический характер. Для определения давности лесного пожара использовали различные косвенные методы: разновозрастность древостоев в насаждении, максимальный возраст хвойного подроста, выросшего вблизи деревьев с нагаром, возраст лиственных насаждений, сформировавшихся на гари (Тюрин, 1925; Карпенко, Медведев, 1963 и др.). В двадцатых годах нашего столетия А.В.Тюриным (1925) впервые в нашей стране был использован метод датировки лесных пожаров по пожарным подсушинам (огневым ранениям у деревьев). Далее этот метод был развит И.С. Мелеховым, который основал целое направление по пожарной травматологии леса. Работа И.С.Мелехова "Влияние пожаров на лес" (1948) является одной из наиболее крупных, где он рассматривает огневые повреждения древесных пород, скорость зарастания пожарных ран, изменение прироста и анатомические изменения в древесине под воздействием лесных пожаров.
В настоящее время при реконструкции лесных пожаров широко используются дендрохронологические методы. Наличие пожарных подсушин на деревьях и изменение ширины годичного кольца в послепожарный период позволяет датировать лесные пожары. Применяемые дендрохронологические методы позволяют уточнить хронологию лесных пожаров.
Достаточно толстая, особенно в комлевой части ствола, кора хвойных играет важную защитную роль при пожарах. Однако камбий и флоэма очень чувствительны к повышению температуры. Отмирание клеток начинается при температуре едва превышающей 50С. После частичного повреждения камбиальных тканей, на травмированной части ствола образуется пожарная подсушина, но дерево сохраняет жизнеспособность. При более значительном по интенсивности огневом воздействии происходит кольцевая (полная) гибель камбия и последующее отмирание дерева (Гире, 1977).
По выносливости к действию высоких температур хвойные породы можно разделить на две группы: толстопокровные - лиственница, сосна, кедр, живые ткани которых более устойчивы к высоким температурам, благодаря нивелирующему действию коры; тонкокорые - ель, пихта, молодой кедр, луб которых защищен от губительного действия огня в меньшей степени (Гире, 1982). Наиболее устойчива к пожарам лиственница и ее сопротивляемость огневому воздействию увеличивается с возрастом (Мелехов, 1948; Балбышев, 1963; Цветков, 2005 и др.).
Установлено (Мелехов, 1948; Молчанов, 1976; Евдокименко, Копцев, 1987 и др.), что действие пожара на сосну проявляется неоднозначно: для годичного слоя в год с пожаром характерно: образование прерывного годичного кольца; уменьшение ширины годичного кольца за счет уменьшения числа и размеров трахеид; уменьшение ширины поздней зоны; для слоев, образовавшихся в последующие за пожаром годы свойственно образование нормальных полных годичных колец на следующий же год, но могут полные кольца появляться только через 2-3 года после пожара; наблюдается пульсирующая динамика роста, продолжающаяся в течение десятилетий; наблюдается как уменьшение, так и значительное увеличение ширины годичных колец.
В засушливые годы наблюдается такое сочетание явлений, происходящих в почве и воздухе, которое вызывает длительное несоответствие между необходимым и действительным расходом воды из почвы в растение, что наблюдается нарушение водного режима, которое отражается на ширине годичного кольца. А.А. Молчанов (1976) отмечал низкий прирост годичного кольца в засушливые годы, сопровождавшиеся вспышками лесных пожаров.
В условиях вечной мерзлоты в лиственничниках Центральной Якутии были установлены следующие закономерности в изменении прироста деревьев после низовых пожаров (Забелин, 1978): снижение радиального прироста находится в прямой зависимости от количества и величины пожарных травм и особенно травм поверхностных корней; в первые годы после пожаров текущий радиальный прирост лиственницы, как правило, снижается или остается на прежнем уровне, если огневые повреждения деревьев незначительные; в последующие годы текущий прирост может изменяться в любую сторону в зависимости от силы пожара и возраста древостоев; низовые пожары незначительно влияют на прирост крупномерных деревьев спелого древостоя. В лиственничниках на вечной мерзлоте Эвенкии также было установлено, что слабоинтенсивные низовые пожары сопровождаются повышением текущего прироста деревьев по диаметру, величина которого может составлять до 30% за десятилетний период (Матвеев, Абаимов, 1979).
Сопоставление кривых прироста индивидуальных деревьев по радиусам ствола вблизи пожарной подсушины и на противоположном радиусе позволило установить типичную реакцию камбия на повреждающее воздействие (огневое повреждение) - компенсаторный рост. Измерения прироста по радиусам вблизи пожарной подсушины нельзя использовать ни для датировок, ни для дендроклиматического анализа (Ваганов, Арбатская, 1996).
Исследование реакции древостоя на периодическое воздействие низовых пожаров для двух древостоев из районов средней и южной тайги выявило, что древесно-кольцевые хронологии, рассчитанные для деревьев, имеющих и не имеющих пожарные подсушины, практически не отличаются (коэффициенты корреляции 0.92 и 0.89). Во всех случаях минимальная величина прироста отмечается на следующий после пожара год. В первые после пожара годы депрессия прироста может достигать 25-40%. Скорость и продолжительность восстановления прироста зависит от типа древостоя и связана, главным образом, с восстановлением после пожара напочвенного покрова и подстилки. (Ваганов, Арбатская, 1996).
Древесно-кольцевые хронологии используются для реконструкции изменений климата и многолетней изменчивости частоты пожаров (Swetnam, 1993, 1996). В настоящее время проводятся такие работы и для бореальных лесов Сибири (Фуряев, Киреев, 1979; Карабаинов, Моложников, 1986; Swetnam, 1996; Валендик и др.,1993; Валендик, Иванова, 1996; Ваганов, Арбатская, Шашкин, 1996; Арбатская, Ваганов, 1997 и др.).
Влагосодержание компонентов напочвенного покрова и сезонная динамика
Возникновение горения напочвенного покрова определяется и его запасом, и соотношением в нем количества, с одной стороны, гигроскопичных горючих материалов проводников горения (опада, мхов, лишайников и подстилки), которые могут иметь низкое влагосодержание (8-10%), а с другой стороны - количеством вегетирующих трав и кустарничков, имеющих устойчивую высокую влажность (120-400%).
На возникновение и распространение лесных пожаров влияет не только структура и запасы ЛГМ, и их соотношение, но и в значительной степени их влагосодержание, которое определяется процессами увлажнения и высыхания. Влагосодержание, при котором возможно распространение горения по напочвенному покрову, для разных видов ЛГМ различно. Так критическое влагосодержание, ниже которого по нему в покрове данного состава и структуры может распространяться горение различно. Например влагосодержание, при котором опад становится способным к горению равно, по данным Стикеля (Мелехов, 1947)-27%, М.А. Шешукова (1970)-26%, Э.Н. Валендика и Н.Ф. Гевель (1975)-20% и Э.В. Конева (1977)-13%. По данным разных авторов для лишайников критическое влагосодержание составляет от 25 до 40%, для мхов от 10 до 40%, травяной ветоши от 16 до 25% (Курбатский, 1963; Софронов, 1967; Жуковская, 1970; Валендик, Гевель, 1975 и др.). Наблюдающиеся различия обусловлены «особенностями ЛГМ и методиками определения критического влагосодержания.
Влагосодержание ЛГМ в значительной степени обусловлено их гигроскопичностью (Курбатский, 1962). К гигроскопичным горючим материалам отнесены проводники горения (опад, лишайники и мхи), которые быстро увлажняются и быстро высыхают. К негигроскопичным относятся живые растения, которые способны регулировать свое влагосодержание (Курбатский, 1962,1970; Волокитина, Софронов, 2002).
Изменение влагосодержания гигроскопических горючих материалов происходит с некоторым отставанием во времени от изменений влажности воздуха. Происходит послойное высыхание. Так слой мхов и лишайников высыхает в верхней части и слабо пропускает влагу снизу вверх. Поэтому верхняя часть слоя может иметь влажность 25-30%» и легко загораться, а влажность нижней части слоя может достигать 70% и более (Курбатский, 1962). Послойные различия во влагосодержании у лишайников и мхов при очень высоком и очень низком общем влагосодержании незначительны (Курбатский, 1970). Это было подтверждено и исследованиями А.В. Волокитиной (Волокитина, 1985; Волокитина, Софронов, 2002).
Увлажнение гигроскопичных проводников горения происходит в основном осадками. В насаждении осадки распределяются обычно следующим образом (Волокитина, Софронов, 2002): часть их задерживается кронами, остальная распределяется под пологом леса, увлажняя зоны между кронами и под кронами. По мере насыщения полога древостоя влагой увеличивается ее проникновение сквозь кроны. В сосняках распределение осадков по зонам мало зависит от их количества вследствие заноса капель под кроны ветром. Приствольные круги увлажняются хорошо, получая осадков лишь в 1.1-1.3 раза меньше, чем межкроновые зоны. В сосняках наблюдается значительное варьирование в распределении осадков, независимо от густоты древостоя и количества выпавших осадков, благодаря воздействию на них ветра, скорость которого здесь выше в 2 раза, чем под пологом ельников (Валендик, 1968). Таким образом ЛГМ под пологом сосновых древостоев увлажняются довольно равномерно.
Влага дождя, при достижении им напочвенного покрова, поглощается мхами, лишайниками и опадом послойно (Волокитина, 1985; Волокитина, Софронов, 2002). Поэтому при небольших дождях нижние части слоя оказываются более сухими, чем верхние. Такое распределение влаги бывает кратковременным, а в целом изменение влагосодержания в верхнем и нижнем подслоях покрова происходит согласованно (коэффициент корреляции 0.73-0.89). Исключение составляет покров из лишайников. Авторами также установлено, что скорость послойного высыхания в направлении от поверхности в глубину не зависит от мощности мохового покрова (гилокомиума) или опада, вследствие чего у проводников одного вида, различных по запасу, бывают одинаковы и время появления готовности к загоранию и последующее нарастание активного (сгорающего) запаса.
Скорость высыхания проводников горения определяется сочетанием факторов тепла и влаги, которое выражается через комплексный показатель пожарной опасности. При его расчете использованы такие метеоэлементы, как температура и влажность (дефицит влажности, температура точки росы) воздуха, а также продолжительность бездождного периода. Наблюдения, проведенные СМ. Вонским (Вонский и др., 1975), показали, что скорость высыхания нижнего и верхнего слоя лишайников до критического влагосодержания примерно одинакова. Высыхание верхнего слоя лишайника до критического влагосодержания достигается за 8-12 часов и менее (Волокитина, Софронов, 2002).
В тоже время между влагосодержанием верхних слоев из мха гилокомиума и опада сосны и влагосодержанием подстилки существует тесная связь. Коэффициенты корреляции между влагосодержанием подстилки и верхним и нижним слоями мха составляют 0.84 и 0.89, а опада - 0.80 и 0.90 (Волокитина, Софронов, 2002).
Предполагается, что в типах леса с обильной травяной растительностью весенне-летнее разрастание трав с повышенной влажностью вызывает общее увлажнение комплекса напочвенных горючих материалов, затрудняющее возникновение и распространение горения. С увлажнением комплекса, несомненно, должно быть связано и снижение силы пожаров. Чтобы выяснить наличие, значение и сроки этого влияния, что необходимо для прогнозирования возникновения и распространения пожаров, представляется целесообразным выявить суточные и сезонные изменения влагосодержания как комплекса в целом, так и его отдельных компонентов, в том числе влагосодержания различных растений.
Подробных литературных данных о влагосодержании компонентов живого напочвенного покрова в сосняках мало, хотя, как указано, они широко распространены, а кроме того и пожароопасны. Предполагая существование общих тенденций и закономерностей в динамике влагосодержания разных растений, полезно предварительно рассмотреть основные литературные данные о влагосодержании растений вообще.
Одной из первых работ об изменении содержания воды с листьях некоторых растений была работа Т.А. Красносельской-Максимовой (1917). Она установила, что у мезофитов и ксерофитов днем в листьях содержится меньше воды, чем утром, а вечером и ночью они вновь насыщаются водой. При этом разница может достигать 25 и более абсолютных процентов, что зависит от условий транспирации. Она подтвердила открытое Б.Е. Ливингстоном и В.Х. Броуном (Livingston, Brown, 1912 по Поплавской, 1953) послеполуденное уменьшение влажности листьев высших растений пустыни, которое они объяснили несоответствием между скоростью испарения воды листьями и подачей ее корнями.
Оценка факторов, влияющих на скорость продвижения кромки низового пожара
Мы попытались приближенно описать кромку пожара посредством статистического обобщения экспериментальных данных по методике полного многофакторного эксперимента, предложенной Ю. П. Адлером с соавторами (1976). На основании априорных знаний было принято, что скорость распространения фронтальной части кромки низового пожара (у) в равнинных условиях на участках одного типа леса с древостоями одного возраста и близкой полноты в основном зависит от переменных: скорости ветра (xj), влагосодержания проводников горения (хг), их запаса (хз) и запаса живых растений в напочвенном покрове (Х4). Эта зависимость в простейшем случае может быть выражена линейным многофакторным уравнением:
Мы полагали, что для небольших интервалов варьирования факторов использование линейной модели правомерно. В этом уравнении величины аі,а2 и т.д. можно рассматривать как относительную оценку влияния факторов и их сочетаний на скорость продвижения кромки.
Предполагалось, что состав и структура комплекса напочвенных горючих материалов в пределах насаждений одного типа леса, одного возраста и полноты изменяется во времени вследствие разрастания и отпада растений. Влагосодержание, как известно, изменяется лишь у гигроскопических горючих материалов — проводников горения. У вечнозеленых растений оно изменяется в пределах 120-150% и может считаться постоянным. У листопадных растений весной, сразу после появления листьев, влагосодержание достигает 400-450%. К концу весны оно быстро снижается до 250-300% и на этом уровне сохраняется до осени, когда растения вновь быстро теряют влагу, отмирают и переходят в опад. В опытах оно принято постоянным. Хотя роль вечнозеленых и листопадных растений в процессе горения различна, для некоторого упрощения задачи в сосняках это различие не учитывалось.
Роль вечнозеленых и листопадных растений в процессе горения различна, поэтому мы учитывали в первом случае общую массу живых растений, а во втором лишь влияние количества зеленой массы травянистых растений, так как количество брусники в течение вегетационного периода изменяется мало. Известно, что брусника "поддерживает" или усиливает горение напочвенного покрова (Курбатский, 1970). Отмершие травы зависают на кустиках брусники. Возникает рыхлый слой горючего материала. Но горение только по бруснике распространяться не может. Весной в сосняке разнотравно-брусничном, до разрастания трав, на полосе шириной 1 м был удален опад и осталась лишь одна брусника. Фронт огня, пушенный на полосу, преодолеть ее не смог. По сплошному ярусу из брусники горение не могло распространяться. Опыт был повторен при более высоком комплексном показателе и результат оказался аналогичным.
Первый вариант модели предусматривает выявление вклада скорости ветра на высоте живого напочвенного покрова, влагосодержания и запаса проводников горения, запаса зеленой массы трав и кустарничков. Второй вариант принят для уточнения вклада зеленой массы трав, так как изменения запаса брусники незначительны. Третий вариант модели составлен по косвенным факторам, которые сравнительно просто определимы в практике борьбы с пожарами - число дней после начала вегетации (11.05) должно отражать запас всей зеленой массы растений, включая бруснику; комплексный показатель засухи -влагосодержание опада; скорость ветра может быть определена как непосредственно действующий фактор.
Принятые уровни варьирования факторов и их кодированные значения приведены в таблице 5.2. Приведенные в таблице уровни факторов и пределы их варьирования определены по фактическому материалу: необходимым наблюдениям, строго соответствующим матрицам планирования экспериментов. Таким образом, хотя факторы неуправляемы, но их сочетания, благодаря подбору, строго соответствуют запланированным. При этом несколько сократилась область определения некоторых из факторов и снизилось число наблюдений, использованных для построения моделей.
По влагосодержанию проводников горения была возможность охватить весь интервал реальных значений, при которых возможно распространение горения. Верхний предел его близок к критическому значению. По запасу проводников горения участки, где проведены опыты, оказались преимущественно на высоком уровне. Это объясняется тем, что к проводникам горения мы относили не только опад с деревьев, но и гигроскопические отмершие части трав и кустарничков, накопившиеся за 19 лет после последнего пожара. Варьирование запасов проводников горения на высоком уровне снивелировало его влияние на скорость продвижения кромки огня. Область определения по скорости ветра у нас ограничена интервалом от 0 до 1.0 м/сек. Ветер скоростью более 1м/сек наблюдался в густых сосняках на высоте живого напочвенного покрова сравнительно редко. По запасу живых растений в напочвенном покрове интервал варьирования достаточно широкий. Но в этот запас в первом варианте, как указано, вошли вечнозеленые и листопадные растения, различно влияющие на горение. По запасу живых травянистых растений в напочвенном покрове интервал варьирования во втором варианте также достаточно широкий. Область определения числа дней с начала вегетации принята довольно узкая в связи с тем, что летом горимость наблюдалась редко, то и подобрать нужные сочетания факторов для этого периода было затруднительно. Область определения комплексного показателя несколько меньше реально существующей в части верхнего предела, который может достигать 6 тыс. и более, особенно в засушливые периоды.
Общее число факторов, учитываемых в моделях, было принято в соответствии с относительно небольшим объемом экспериментальных данных. По этой же причине отсеивающий эксперимент не применяли. В результате анализа экспериментальных данных были получены коэффициенты регрессий (Курбатский, Иванова, 1979). Все коэффициенты регрессии значимы, а эксперимент в целом воспроизводимым. Однако по отдельным факторам и их сочетаниям коэффициенты регрессии широко варьируют, и часть из них не имеет практического значения (вариант 1). Мы получили следующие уравнения скорости кромки пожара (У), м/сек:
Адекватность полученных моделей мы оценили по критерию Фишера (F), который в данном случае равен F=0.48, а Рщбл- = 2.4 (1-й вариант), что свидетельствует об адекватности модели. Логический анализ уравнения также подтверждает ее адекватность. Относительно большая величина свободного члена указывает на большое значение особенностей структуры комплекса напочвенных горючих материалов и наличие ряда других неучтенных факторов. Свободный член в основном определяет скорость продвижения кромки, а другие члены уравнения как бы вносят поправки в нее. Так, скорость продвижения кромки возрастает по мере увеличения скорости ветра. Повышение влагосодержания проводников горения, естественно, снижает скорость продвижения.
Из структуры модели вытекает, что увеличение запаса проводников горения несколько снижает скорость продвижения кромки. Это возможно в тех случаях, когда увеличение происходит уже при большом запасе проводников горения и при влагосодержании, близком к критическому. На это указывает сравнительно небольшое влияние их влагосодержания. В большинстве же случаев увеличение доли проводников горения должно увеличивать скорость кромки. Живые растения тормозят распространение горения, поглощая тепло при испарении влаги и затеняя проводники горения от лучистой энергии. Но в данном случае живой напочвенный покров представлен более чем наполовину брусникой и вечнозелеными травами с низким влагосодержанием, которые, как и брусника, усиливают горение. Направленность влияния запаса живых растений, очевидно, может изменяться в зависимости от доли участия различных растений. Члены уравнения, выражающие взаимодействие факторов, отражают их независимое влияние. Ускоряющее влияние последнего члена уравнения определяется, как указано, большой долей брусники в комплексе горючих материалов.
