CC BY
107
МОНИТОРИНГ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЖАРОВ НА КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМЫ СОСНЯКОВ СРЕДНЕЙ СИБИРИ
Галина Александровна Иванова
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036, г. Красноярск, Академгородок 50/28, ведущий научный сотрудник лаборатории лесной пирологии, доктор биологических наук, тел. (391)2495429, e-mail: [email protected]
Проведен мониторинг воздействия пожаров разной интенсивности на компоненты экосистемы сосняков Средней Сибири. Получены экспериментальные данные по параметрам горения, изменению биомассы, воздействию пожаров на древостой и нижние яруса растительности, трансформации свойств почв, микробоценозов и почвенных беспозвоночных после пожаров в зависимости от их интенсивности.
Ключевые слова: лесной пожар, интенсивность пожара, компоненты экосистемы, сосняки, Средняя Сибирь.
MONITORING EFFECTS OF FIRE ON ECOSYSTEM COMPONENTS OF SCOTCH PINE FORESTS OF CENTRAL SIBERIA
Galina A. Ivanova
V.N. Sukachev Institute of Forest SB RAS, 660036, Krasnoyarsk, Akademgorodok 21-120, leader researcher, department of forest fire, PhD, tel. (391)2495429, e-mail: [email protected]
Monitoring of forest ecosystem components after varying-intensity fires was carried out in Scotch pine forests of Central Siberia. Remote sensing methods were used to quantify and qualify fire severity in forest areas burned by either controlled or wildfires of varying intensity. We developed experimental information on combustion parameters, amount of changes of biomass, trees and ground living cover, soil properties, soil micro biota and invertebrate depending on fire intensity.
Key words: forest fire, fire intensity, ecosystem components, Scotch pine forest, Central Siberia.
Воздействие лесных пожаров на растительность тесно связано с особенностями лесорастительных условий. Во-первых, лесорастительные условия определяют возможность возникновения, распространение и силу огня, во-вторых, изменение лесной растительности и водно-теплового режима почв в результате пожара также зависит от условий произрастания (Попов, 1982). В настоящее время существует целый ряд различных моделей для описания отдельных последствий пожаров для североамериканских лесов (Ryan and Reinhardt, 1988; Keane et al., 1989, 1998; Reinhardt et al., 2001 и др.). Для российских лесов также разработаны модели отпада деревьев после пожаров (Воинов, Софронов, 1976). Стадии послепожарного лесовосстановления
приведены в работах Л.В. Попова (1982), С.Н. Санникова (1973, 1992), В.В. Фуряева и Д.М. Киреева (1979).
Необходимо разделять последствия, возникающие непосредственно в процессе горения - последствия пожара первого порядка, и проявившиеся после пожара через какой-то период времени - последствия пожара второго порядка. Последствия пожаров первого порядка возникают во время горения или сразу после него. Это результат непосредственного теплового воздействия процесса горения на компоненты лесных экосистем. К ним можно отнести сгорание биомассы, ожоги или гибель растений или животных, нагрев почвы и гибель почвенной флоры и фауны. Последствия пожаров второго порядка - это последствия, возникающие после пожара в течение более длительного периода времени (дни, месяцы, годы). К ним относятся: трансформация почвы, почвенной фауны и флоры, отпад деревьев, накопление биомассы, послепожарная сукцессия (Reinhardt et al., 2001).
Вполне понятно, что естественные лесные пожары, возникающие от неизвестных источников возгорания и стихийно распространяющиеся по территории, не могут служить базой для оценки и моделирования последствий. Параметры их неизвестны, об их интенсивности можно судить лишь по косвенным показателям. Экологические последствия таких пожаров трудно сопоставимы с параметрами огневого воздействия и также классифицируются по косвенным показателям. В этом случае параметры пирогенного воздействия можно получить экспериментально при моделировании поведения пожаров и последующего мониторинга сукцессии.
Впервые в России в рамках российско-американского проекта в 2000 - 2003 гг. была проведена серия крупномасштабных экспериментов по моделированию поведения лесных пожаров на 13 участках площадью 4 га в сосняках Красноярского края при различных погодных условиях. Во всех случаях пожары низовые, разной интенсивности, репрезентативные для сосняков Средней Сибири. Проведение экспериментов по моделированию пожаров разной интенсивности в среднетаежных и южнотаежных сосняках позволило получить параметры поведения пожара, что, в отличие от наблюдений на гарях, имеет точные данные о глубине прогорания, количестве сгоревших материалов, запасах и структуре живого напочвенного покрова. Кроме того, получены данные о состоянии компонентов экосистемы сосняков до пожаров и сразу после их воздействия.
В среднетаежных и южнотаежных сосняках, где проводились эксперименты по моделированию поведения пожаров, был заложен долговременный эксперимент по исследованию воздействия пожаров на отдельные компоненты экосистемы. В последнее десятилетие осуществляется мониторинг устойчивости и восстановления компонентов экосистемы после воздействия пожаров разной интенсивности с известными параметрами их поведения.
Мы попытались оценить последствия воздействия пожаров разной интенсивности на экосистему в сосняках. Анализ данных по последствиям пожаров включал в себя:
- Допожарные характеристики (состояние компонентов экосистемы, в том числе структура и биомасса древостоя и напочвенного покрова);
- Параметры пожара, необходимые для оценки его воздействия на
компоненты экосистемы (скорость распространения кромки, глубина
прогорания, интенсивность пожара, температура пламени);
- Последствия, возникшие непосредственно в процессе горения
(термическое воздействие на деревья, количество сгоревшей биомассы, нагрев почвы, гибель почвенных животных и микроорганизмов и т.п.);
- Последствия, возникшие через какой-то промежуток времени
(трансформация физико-экологических свойств почвы, почвенной фауны и
флоры, отпад деревьев, накопление биомассы, послепожарная сукцессия).
Последствия возникающие во время пожара определяются допожарными условиями, влияющими на состояние горючих материалов, метеоусловиями и самим процессом горения. Сгорание биомассы напочвенного покрова во время пожара - это одно из важных последствий, возникающих во время пожара, так как оно определяет ряд других последствий. Так сгорание подстилки вызывает огневые или тепловые повреждения камбия ствола и корней и является причиной отпада деревьев. Сгорающая биомасса являются источником теплоты, образующейся при горении, и вызывает нагревание почвы. Степень нагрева почвы определяет гибель почвенной флоры и фауны, определяет начальный этап послепожарной сукцессии.
Направленность послепожарного восстановления лесов во многом зависит от начального этапа, который определяется степенью повреждения лесной экосистемы, характером заселения освободившихся территорий, составом и сложением инициальных сообществ. На начальных этапах лесовосстановления более четкими индикаторами как лесорастительных условий, так и сукцессионных рядов являются виды растений нижних ярусов. Однако скорость и темпы сукцессионных процессов на прогоревших участках могут существенно различаться не только в пределах лесных формаций, но и отдельных экотопов (Иванова и др., 2002; Ковалева и др., 2011).
Экологическая неоднородность нижних ярусов растительности, мало проявляется в послепожарных сукцессиях и приводит к частичной или полной смене напочвенного покрова и создает типологическое разнообразие вариантов зарастания прогоревших участков. После пожаров, независимо от их интенсивности, мохово-лишайниковый покров в сосняках полностью деградирует от пирогенного воздействия уже в первый год после пожара. Степень повреждения почвенно-растительного покрова определяет на начальном этапе сукцессионного процесса формирование видового разнообразия и структуры растительного покрова. Послепожарное формирование напочвенного покрова также детерминируется структурой нижних ярусов исходного (допожарного) типа. В первый год низовые пожары независимо от их интенсивности приводят к снижению проективного покрытия и фитомассы живого напочвенного покрова.
Высокоинтенсивные пожары (> 4000 кВт/м) в сосняках кустарниково-лишайниково-зеленомошных, при которых повреждается эдификатор, приводят к значительному нарушению живого напочвенного покрова, изменяя его
структуру, образуя мелкоконтурные микроассоциации. Ведущая роль в структуризации напочвенного покрова принадлежит виду эксплеренту (СаЫтаогоъйъ агипШпасва). В тоже время, проективное покрытие и фитомасса напочвенного покрова за 8-летний период наблюдений еще не восстановились до допожарного уровня. При пожарах средней (от 2001 до 4000 кВт/м) и низкой (менее 2000 кВт/м) интенсивности, когда повреждения травяно-кустарничкового яруса незначительны, дальнейшее его восстановление происходит в прежних границах допожарных микроассоциаций с постепенным восстановлением зеленых мхов. Доминантные кустарнички (Уасстшт \itis-idaea, У. тутИИи^) восстанавливают свое проективное покрытие к 6—8 годам. На данном этапе сукцессионного процесса лишайниковый покров еще не восстановился.
Отпад деревьев после пожаров в среднетаежных и южнотаежных сосняках происходит в первые два-три года и определяется интенсивностью пирогенного воздействия. При этом на первый год приходится до 90% всех отпавших деревьев после пожаров высокой интенсивности и до 75 и 70% - при средней и низкой. В последующие годы величина отпада деревьев значительно снижается. Отпад деревьев составил 71.1 - 89.3% от числа живых деревьев до пожара при высокой интенсивности горения, и 14.3 и 8.2%, соответственно, при средней и низкой. Наибольший отпад приходится на деревья, диаметром 10 см и менее. Величина послепожарного отпада деревьев в сосняках в зависимости от интенсивности пожара апроксимируется уравнением экспоненциальной функции: у = 3,8272 е0,0004х (Я2 = 0,84), которое может быть использовано при прогнозе отпада деревьев после пожаров разной интенсивности.
Процесс накопления биомассы после пожаров в сосняках также зависит от интенсивности горения, определяющей степень воздействия на компоненты экосистемы. Пожары высокой интенсивности обуславливают значительное снижение (на 44-62%) запасов напочвенного покрова сосняков. После пожаров низкой интенсивности снижение живой надземной биомассы составило до 14%, а после высокой интенсивности - до 70% от ее количества до пожара. По мере отпада деревьев происходит накопление запасов опада, подстилки, ветвей и валежа. Биомасса на поверхности почвы в сосновых насаждениях, пройденных пожарами низкой интенсивности, восстанавливается за 2-3 года, а после высокоинтенсивного пожара через 8 лет достигает лишь 66% от ее количества до пожара.
Мониторинг воздействия пожаров на свойства почвы, комплексы почвенных беспозвоночных и микробоценозы в сосняках показал, что глубина их трансформации зависит от интенсивности пирогенного воздействия, обусловливая в будущем активность процессов восстановления. Установлено, что через восемь лет лишь некоторые показатели достигли уровня контроля (Богородская и др., 2010, 2011; Тарасов и др., 2011).
Таким образом, в результате мониторинга воздействия пожаров разной интенсивности с известными параметрами на компоненты экосистемы сосняков получены экспериментальные данные по изменению биомассы и отпаду деревьев, трансформации живого напочвенного покрова, свойств почв,
комплексов почвенных беспозвоночных и микробоценозов. Отклик компонентов экосистемы сосняков на воздействие пожаров определяется интенсивностью пирогенного воздействия. Полученные данные могут быть использованы при оценке экологического ущерба от лесных пожаров в лесах Сибири.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богородская А.В., Краснощекова Е.Н., Безкоровайная И.Н., Иванова Г.А. Послепожарная трансформация микробоценозов и комплексов беспозвоночных в почвах сосняков Центральной Сибири // Сибирский экологический журнал, 2010, №6, с. 893-901.
2. Богородская А.В., Иванова Г.А., Тарасов П.А. Послепожарная трансформация микробных комплексов почв лиственничников Нижнего Приангарья // Почвоведение, 2011, №1, с. 56-63.
3. Воинов Г.С., Софронов М. А. Прогнозирование отпада в древостоях после низовых пожаров // Современные исследования типологии и пирологии леса.- Архангельск: АИЛиЛх.-1976.-С.115-121.
4. Иванова Г.А., Перевозникова В.Д., Иванов В.А. Трансформация нижних ярусов лесной растительности после низовых пожаров // Лесоведение.-2002.-№ 2.-С.-30-35.
5. Ковалева Н.М., Иванова Г.А., Кукавская Е.А. Восстановление напочвенного покрова после низовых пожаров в среднетаежных сосняках // Лесоведение. 2011. №5. С.30-35.
6. Попов Л.В. Южнотаежные леса Сибири.-Иркутск: Изд-во Иркутского ун-та.-1982.-330 с.
7. Санников С.Н. Лесные пожары как эволюционно-экологический фактор возобновления популяций сосны в Зауралье // Горение и пожары в лесу / Материалы совещания.-Красноярск: ИЛиД СО АН СССР.-1973.-С.236-277.
8. Санников С.Н. Лесные пожары как фактор преобразования структуры, возобновления и эволюции биогеоценозов // Экология.-1981.-№6.-С.24-33.
9. Тарасов П.А., Иванов В.А., Иванова Г.А., Краснощекова Е.Н. Постпирогенные изменения гидротермических параметров почв среднетаежных сосняков // Почвоведение, 2011, № 7, с. 795-803.
10. Фуряев В.В., Киреев Д.М. Изучение послепожарной динамики лесов на ландшафтной основе.-Новосибирск: Наука.-1979.-160 с.
11. Keane R.E., Arno S.F., Brown J.K. FIRESUM—an ecological process model for fire succession in western conifer forests. USDA Forest Service, General Technical Report INT-266. Ogden. UT.-1989.-76 pp.
12. Keane R.E., Ryan К.С., Finney M.A. Simulating the consequences of fire and climate regimes on a complex landscape in Glacier National Park, Montana. Tall Timbers Proceedings 2. -1998.-Pp.310-324.
13. Reinhard E.D., Keane R.E., Brown J.K. Modeling fire effects // Wildland Fire.-2001.-Vol. 10.-N3-4.-Pp.373-380.
14. Ryan К.С., Reinhardt E.D. Predicting post-fire mortality of seven western conifers // Canadian Journal of Forest Research.-1988.-N.18.-Pp.1291-1297.
© Г.А. Иванова, 2012
