CC BY
103
УДК 630.181.43
Г.А. Иванова, Е.А. Кукавская, С.В. Жила
Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН, Красноярск
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОЖАРОВ НА ПАРАМЕТРЫ БАЛАНСА УГЛЕРОДА И КОМПОНЕНТЫ ЭКОСИСТЕМЫ В СВЕТЛОХВОЙНЫХ ЛЕСАХ СРЕДНЕЙ СИБИРИ
Приводится оценка воздействия пожаров на параметры баланса углерода в сосновых и лиственничных лесах Средней Сибири. Величина эмиссии углерода определяется интенсивностью лесного пожара, погодными условиями, а также типом растительности и условиями местопроизрастания.
G.A. Ivanova, E.A. Kukavskaya, S.V. Zhila
VN Sukachev Institute of Forest SB RAS
28/50 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
FIRE IMPACT ON CARBON BALANCE PARAMETERS AND ECOSYSTEM COMPONENTS OF LIGHT-CONIFEROUS FORESTS OF CENTRAL SIBERIA
Fire impact on carbon balance parameters of pine and larch forests of central Siberia was estimated. Carbon emission was found to depend on forest fire intensity, weather conditions, vegetation type and site conditions.
На территории России сосновые леса сосредоточены в Сибири, где они составляют до 30 % от всех хвойных лесов. При этом в них сосредоточена треть запасов углерода [1]. В связи с обширными площадями, высокой аккумуляцией органических веществ в почве, подстилке и надземной биомассе, сосновые леса воздействуют на глобальный бюджет углерода и химию атмосферы. В тоже время на них приходится до 60 % от общего количества лесных пожаров [2], интенсивность которых широко варьирует в пространстве и во времени. Вид и интенсивность пожара влияют на эмиссии, отпад древесины и последующее восстановление растительности. Прогнозируемое глобальное изменение климата, как ожидается, может привести к увеличению частоты лесных пожаров и расширению ареала их распространения [3]. Это может вызвать деградацию лесорастительных условий и повлиять на депонирование углерода в бореальных лесах. Поэтому очень важно оценить вклад пожаров в изменение запасов углерода в сосновых лесах Средней Сибири.
В 2000-2007 гг. была проведена серия крупномасштабных экспериментов по моделированию поведения лесных пожаров и воздействию их на компоненты экосистемы в среднетаежных сосняках Центрального района бассеина р. Енисей и южнотаежных сосняках и лиственничниках Нижнего Приангарья [4; 5]. Последующие послепожарные исследования позволили оценить воздействие пожаров на компоненты экосистемы и параметры баланса углерода.
В средне- и южнотаежных сосняках запас углерода органического вещества на поверхности почвы варьирует от 15 до 22 тС/га, при этом основная доля приходится на подстилку (до 50 %). В южнотаежных смешанных
насаждениях с преобладанием лиственницы запас углерода органического вещества на поверхности почвы превышает запас в сосновых насаждениях в среднем на 30 % (от 22 до 35 тС/га). Значительный вклад в общий запас в лиственничниках дают ветви и валеж разной степени деструкции, на которые приходиться до 58 % запаса углерода на поверхности почвы.
Пожары высокой интенсивности (более 4000 кВт/м) обуславливают значительное снижение (на 55-60 %) запасов углерода напочвенного покрова, как сосновых, так и лиственничных насаждений. Сразу после высокоинтенсивного пожара запасы углерода органического вещества на поверхности почвы наименьшие и аккумулированы в подстилке и валеже. После воздействия пожаров низкой интенсивности (менее 2 000 кВт/м) запас углерода напочвенного покрова сосняков снизился не так значительно, как при пожарах высокой интенсивности - до 30-35 % от допожарного запаса в сосняках и до 18 % в лиственничниках.
Эмиссия углерода при низовых пожарах составила от 8,1 до 12,6 тС/га в южнотаежных сосняках и от 4,8 до 15,4 тС/га в среднетаежных. Наибольшее количество (64-88 %) высвобождается при сгорании мхов, лишайников и подстилки. Эмиссия углерода определяется интенсивностью пожара (г = 0,77) (рис. 1). При низовых пожарах низкой интенсивности эмиссия в 4,5, средней -5,4, высокой - 12,6 раз превосходит ежегодные потери углерода от разложения органического вещества.
Рис. 1. Зависимость эмиссии углерода от интенсивности пожара в сосняках
Средней Сибири
Величина эмиссии углерода при пожарах в светлохвойных лесах определяется условиями погоды, которые характеризуются показателем пожарной опасности ПВ-1 (рис. 2). Коэффициенты корреляции для сосняков -0,71, для лиственничников - 0,85.
После пожаров происходит перераспределение углерода вещества живой фитомассы в углерод мертвого органического вещества (рис. 3). Запас углерода органического вещества на поверхности почвы и темп его увеличения в первые после пожара годы в значительной степени определяются интенсивностью
огневого воздействия, в дальнейшем происходит увеличение значимости других факторов.
ПВ-1
♦ сосняки о лиственничники
Рис. 2. Зависимость эмиссии углерода при лесных пожарах от погодных
условий
а) б)
О живое органическое вещество ф мертвое органическое вещество
Рис. 3. Динамика углерода надземного органического вещества после пожаров высокой (а) и низкой (б) интенсивности в сосняках Средней Сибири
Процесс накопления биомассы и аккумулирования углерода после пожаров в светлохвойных насаждениях в значительной степени зависит от интенсивности горения, определяющей степень воздействия на компоненты экосистемы (рис. 4). По мере отпада деревьев и поступления на поверхность почвы отмершей растительности происходит накопление запасов подстилки, которое наиболее интенсивно идет в первые годы после пирогенного воздействия.
Запас углерода напочвенного покрова на третий после пожара год составил 85 % от допожарного значения в лиственничниках и 66 % в сосняках. Спустя 1-3 года после воздействия высокоинтенсивных пожаров запас углерода ветвей и валежа в лиственничниках в 2,5-3,2 раза больше, чем в сосняках. Увеличение
углерода напочвенного покрова после пожара низкой интенсивности происходит, как и после высокоинтенсивного, за счет опада с поврежденных пожаром деревьев и отпада сухостоя. Запас углерода органического вещества на поверхности почвы в светлохвойных насаждениях, пройденных пожарами низкой интенсивности, восстанавливается до допожарного уровня за 1-2 года.
Время после пожара, лет ♦ высокоинтенсивный пожар О низкоинтенсивный пожар
Рис. 4. Динамика углерода напочвенного покрова после пожаров разной
интенсивности в среднетаежных сосняках лишайниково-зеленомошных
На начальном этапе послепожарного лесовосстановления индикаторами лесорастительных условий являются растения нижних ярусов. Высокоинтенсивные пожары в среднетаежных сосняках, при которых повреждается эдификатор, приводят к значительному нарушению живого напочвенного покрова, изменяя его структуру, образуя мелкоконтурные микроассоциации. Ведущая роль в структуризации напочвенного покрова принадлежит эксплерентам, фитомасса которых на восьмой год превышает допожарную в шесть раз. При пожарах средней и низкой интенсивности, когда повреждения травяно-кустарничкового яруса незначительны, дальнейшее его восстановление происходит в прежних границах микроассоциаций с постепенным восстановлением зеленых мхов.
Пожары высокой интенсивности в южнотаежных лиственничных насаждениях Нижнего Приангарья приводят к обильному разрастанию травяного покрова. Через 3 года после пожара его запас в 8,5 раз превысил допожарную величину. В сосняках на более бедных почвах запас травяно-кустарничкового яруса после пирогенного воздействия за этот же временной период не достиг допожарного уровня. При полном уничтожении живого напочвенного покрова после пожаров высокой интенсивности в местах прогоревших до минерального слоя для сосняков характерно появление мхов рода Polytrichum, а для лиственничников - Marchantia, которые постепенно разрастаются, увеличивая запас. Так, биомасса маршанции на экспериментальном участке за год возросла более чем в 3 раза.
До пожара экосистемы спелых сосняков лишайниково-зеленомошных средней и южной тайги функционируют как сток атмосферного углерода, закрепляя 0,3-1,5 тС/га в год. Установлено, что воздействие пожаров низкой
интенсивности на спелые средне и южнотаежные сосняки обуславливает функционирование экосистемы как источника углерода в атмосферу на 10летний период, а пожары высокой интенсивности на десятки лет (до 30-40 лет).
Пожары высокой интенсивности переводят экосистему в состояние источника углерода в атмосферу сразу после их воздействия (-0.16 тС/га в год). При низкой и средней интенсивности горения сразу после пожара экосистема функционирует как сток для углерода за счет снижения минерализационного потока при сгорании мертвого органического вещества. В первые после пожара годы увеличивается минерализационный поток вследствие отпада деревьев и накопления подстилки и экосистема сосняков становится источником углерода в атмосферу. Величина минерализационного потока в значительной степени определяется интенсивностью пожара и наибольшая после высокоинтенсивного пожара. В первые семь лет величина «входа-выхода» экосистемного углерода варьировала от -1.39 до - 1.85 тС/га в год после пожара высокой и от -0.03 до -0.25 тС/га в год после пожара низкой интенсивности. Увеличение отрицательного значения «входа-выхода» экосистемного углерода с годами вызвано превалированием деструкционных процессов вследствие отпада деревьев и накопления подстилки над интенсивностью фотосинтетической ассимиляции.
Согласно статистическим данным в лесах Средней Сибири в среднем ежегодно выгорает около 118 тыс. га лесной площади. В экстремальные пожароопасные сезоны эта площадь может увеличиваться в несколько раз. Учитывая полученные экспериментальные данные, ежегодно при пожарах в сосновых бореальных лесах в среднем эмиссии углерода составляют от 300 до 1 000 тыс. тонн в зависимости от интенсивности пожаров, а в экстремальные пожароопасные сезоны они могут увеличиваться в 3-4 раза.
Работа выполнена при поддержке РФФИ и МНТЦ (проект №3695).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Углерод в экосистемах лесов и болот России В.А.Алексеев и Бердси Р.А. (ред.). -Красноярск: ИЛ СО РАН. - 1994.
2. Korovin, G.N. Analysis of the distribution of forest fires in Russia [Текст] / G.N. Korovin // Fire in ecosystems of boreal Eurasia, eds.: J.G. Goldammer and V.V. Furyaev. - Netherlands: Kluwer Academic Publishers. - 1996. - P. 112-128.
3. Kasischke, E.S. Fire, global warming, and the carbon balance of boreal forests / E.S. Kasischke, N.L. Christensen and B.J. Stocks // Ecological Applications - 1995. - № 5(2). -P. 437-451.
4. McRae, D. J. Variability of Fire Behavior Fire Effects and Emissions in Scotch Pine Forests of Central Siberia / D. J. McRae, S.G. Conard, G.A. Ivanova, A.I. Sukhinin, S.P. Baker, Y.N. Samsonov, T.W. Blake // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Cnange. - 2006. -№ 1. - Vol. 11. - Р. 45-74.
5. Иванова, Г.А. Влияние пожаров на эмиссии углерода в сосновых лесах Средней Сибири [Текст] / Г.А. Иванова, В.А. Иванов, Е.А. Кукавская, С.Г. Конард, Д.Д. Макрей // Сибирский экологический журнал. - 2007. - № 6. - C. 885-895.
© Г.А. Иванова, Е.А. Кукавская, С.В. Жила, 2010
