CC BY
16
УДК 574.4
АККУМУЛЯЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В КРУПНОМ ФИТОДЕТРИТЕ ТЕМНОХВОЙНЫХ ЛЕСОВ СРЕДНЕЙ ТАЙГИ ПРИЕНИСЕЙСКОЙ СИБИРИ
А. В. Климченко
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок, 50 стр. 28; e-mail: klimchenko@mail.ru
Представлена оценка запасов органического вещества аккумулированного в крупном фитодетрите темнохвойных насаждений средней тайги Приенисейской Сибири в зоне охвата измерительной вышки обсерватории ZOTTO (радиусом до 100 км). В результате автоматической классификации космоснимков LANDSAT ETM+, установлено, что около половины исследуемой территории приходится на темнохвойные леса. Общие запасы крупных древесных остатков (КДО) в темнохвойных насаждениях на исследованной территории составляют 92,4 млн.т, из которых 97 % приходится на пихтачи и ельники. Оценка запасов КДО получена с целью формирования базы данных по компонентам углеродного цикла, которые необходимы для количественной характеристики запасов и потоков углерода.
Ключевые слова крупные древесные остатки, классы разложения, плотность древесины, темнохвойные леса
The stocks of coarse woody debris (CWD) for dark conifer plantations of middle taiga Siberia for the coverage area of measuring tower observatory ZOTTO (radius to 100 km) are estimated. The automatic classification of satellite images LANDSAT ETM +, showed that about half of the study area falls on the dark coniferous forests. Total stocks of CWD of dark conifer plantations in the investigated area are 92,4 million tones, of which 97 % is fir and spruce. The stocks CWD will be used to develop a database of carbon cycle components required for quantifying characteristics storage and fluxes carbon.
Keywords: coarse woody debris, decomposition classes, wood density, dark coniferous forests
ВВЕДЕНИЕ
В биологическом круговороте углерода крупный фитодетрит является важным резервуаром аккумуляции и трансформации органического вещества. Отпавшие стволы деревьев, по сравнению с другими фракциями фитодетрита на поверхности почвы, характеризуются относительно сложной доступностью для заселения редуцентами, более высокой концентрацией массы на единицу объема, меньшей удельной поверхностью контакта с окружающей средой. Такие качества КДО заметно замедляют трансформацию органического вещества, и тем самым сдерживают возврат углерода в атмосферу. Величина запасов крупных древесных остатков при биогеоценотических исследованиях явно недооценивается, что является дополнительной причиной неопределённости роли лесных экосистем в круговороте углерода (Уткин, 1995; Уа18коу, 2003; Замолодчиков, 2009).
Количество органического вещества аккумулированного в КДО в лесах России, как правило, оценивается на основе данных Государственного учета лесного фонда (ГУЛФ) и конверсионным коэффициентам и также по средним оценкам запасов на пробных площадях полученных в экорегионах (Моисеев, 2000). В данные ГУЛФ большую неопределенность вносит аэровизуальная таксация резервных и труднодоступных районов Сибири и Дальнего Востока. Оценок запасов крупного фитодетрита по регионам с низкой лесохозяйственной
Работа поддержана грантами РФФИ № 09-04-98004а, 10-04 00337а, 10-05-00783а, 10-04-01651а
деятельностью крайне мало, что предопределяет актуальность проведения исследований в данной области.
Для корректной оценки пула мертвого органического вещества требуется создание базы данных по запасам углерода в лесной подстилке и крупных древесных остатках (Исаев, 1999). Анализ космоснимков позволяет выделить преобладающие типы лесной растительности и определить размеры площадей занимаемых определенными экосистемами. Интеграция данных полученных с космоснимков и параметров экосистем определенных при натурных исследованиях выделенных типов растительного покрова позволит сформировать базу данных, по углероду, аккумулированному в органическом веществе лесных экосистем.
Целью данной работы является оценка запасов органического вещества аккумулированного в крупных древесных остатках в темнохвойных насаждениях средней тайги Приенисейской Сибири. В рамках проведенных исследований к КДО относятся отпавшие стволы деревьев на поверхности почвы и пни.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Определение запасов КДО проводились на территории радиусом до 100 км от измерительной вышки международной обсерватории ZOTTO (Zotino Tall Tower Observatory) расположенной в районе пос. Зотино (Красноярский край, 60° с.ш. 89° в.д.) (Kozlova, 2008) в рамках комплексной экспедиции по таксации и инвентаризации преобладающих типов леса, входящих в охват измерений
станции высотной мачты. На измерительной вышке фиксируются значения концентраций таких газов как CO2, CH4, O2 и др. величины которых взаимосвязаны с биологическими параметрами экосистем зоны охвата. Район исследований, согласно лесорастительному районированию, относится к Сым-ско-Дубческому округу среднетаёжных лесов (Коротков, 1994). В округе произрастают сосновые, еловые, кедровые, лиственничные, пихтовые, березовые и осиновые леса с преобладанием темнохвойных насаждений из кедра и ели (Стаканов, 2002).
Территория исследований характеризуется континентальным климатом. Средняя годовая температура воздуха равна -3,7 °С, июля 17,3 °С, января -22,9 °С, при среднегодовом количестве осадков составляющем 565 мм (по данным метеостанции Бор). Основной фон в структуре почвенного покрова составляют подзолы.
Для выявления участков со сходными типами растительного покрова на территории радиусом до 100 км от измерительной вышки проведена автоматическая классификация космоснимков LANDSAT ETM+ с использованием метода максимального правдоподобия (Maximum likelihood), реализованного в ГИС ERDAS IMAGINE. Для однородных участков в ГИС определены географические координаты. На основе космоснимков в районе проведения исследований выделены трансекты, на которых были запланированы точки для закладки пробных площадей. Для достоверности результатов изучения параметров экосистем на каждый тип растительности выбрано минимум по 3 участка для наземной инвентаризации. Выбор точек для закладки площадей ограничивался доступностью территории исследований. Из-за близости спектральных значений двух видов темнохвойных (пихта и ель) на снимках LANDSAT ETM+, данные виды невозможно достоверно разделить при проведении автоматической классификации. Вследствие этого площади данных видов насаждений объединены в один класс. Определение запасов КДО было проведено на 62 пробных площадях (п.п.), из которых 35 заложены в кедрачах, 18 в пихтачах и 9 в ельниках зеленомошных. Пробные площади закладывались в систематическом порядке. Выстраивались трансек-ты, охватывающие наиболее репрезентативные участки лесных массивов территории района исследования. Закладка пробных площадей в систематическом порядке позволяет наиболее максимально исключить влияние субъективизма при выборе местоположения каждой пробной площади, а также не
допустить диспропорций при выборе соотношения различных типов растительности. Расстояния между пробными площадями в направлении СЮ и ЗВ равнялись 1 км. Местоположения каждой конкретной пробной площади определялись с помощью портативного геопозиционирующего устройства (GPS) с точностью 15 м. На пробных площадях проводилась таксация древесного яруса и учет подроста и подлеска, определялись запасы, живого напочвенного покрова, подстилки, КДО и органического вещества почвы.
Исследование запасов КДО проведено посредством сплошного учета отпавших стволов и пней с определением класса разложения и породы дерева. Выделено три класса разложения: 1 - древесина не утратила своей твердости, на стволах сохраняются кора и ветви; 2 - древесина частично утратила свою твердость, кора довольно легко отслаивается, присутствуют крупные и мелкие ветви; 3 - древесина почти полностью утратила свою твердость, на стволах в незначительном количестве имеются кора и крупные ветви. На основании геометрических параметров КДО рассчитан их объём по формуле объёма усечённого конуса. Согласно литературным данным (Радюкина, 2004; Климченко; 2005, Ко-шурникова, 2007; Мухортова; 2009) для различных древесных видов и разных условий местопроизрастания уменьшение плотности древесины, в процессе деструкции, по отношению к исходной (плотность древесины живого дерева) для 1, 2, и 3 классов разложения происходит в среднем на 10, 30 и 50 % соответственно. Величины исходной плотности, для различных видов древесины, были взяты из литературных источников (Полубояринов, 1976; Боровиков, 1989). На основании полученного объёма и плотности древесины по классам разложения, определёны запасы органического вещества (т га-1), аккумулированного в крупном фитодетрите.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе процесса разложения древесины происходит закономерное уменьшение исходной плотности древесины. Минерализация древесных остатков сопровождается высвобождением углерода и минеральных элементов, что ведет к потере массы и снижению плотности древесины при незначительном уменьшении объема. На основании исходной плотности древесины различных древесных пород и коэффициентов, полученных на основе экспериментальных данных, была вычислена плотность для 3 классов разложения (табл.).
Таблица - Плотность древесины разных пород по классам разложения, т м~3 (абс. сух.)
Древесная порода Исходная Класс разложения
плотность 1 2 З
Кедр Q,42 Q37S Q,294 Q,21
Пихта Q^ Q,296 Q^ Q,164
Ель Q,411 Q^ Q,2SS Q,2Q6
Наиболее плотная исходная древесина характерна для кедра 0,42 т м-3, и наименее плотная дре-
весина у пихты 0,329 т м- . Дифференциация крупных древесных остатков по породам и классам раз-
ложения позволила более точно определить массу органического вещества аккумулируемого в фитодетрите в пределах территории исследований.
Согласно проведенной автоматической классификации космоснимков территории охвата высотной мачты (3139 тыс. га) выделено 11 агрегированных классов земной поверхности. В результате анализа площади выделенных классов установлено, что покрытая лесом территория составляет около 84 %. Среди классов с лесной растительностью доминирующее положение по площади занимают темнохвойные насаждения, ельники и пихтачи -46 %, кедрачи около 2 %. Темнохвойные леса на левобережье Енисея приурочены к переувлажненным участкам со слабым дренажом и долинам крупных водотоков (напр., рр. Дубчес и Точес). На правобережную часть, представленную западными отрогами Енисейского кряжа, приходится половина территории занимаемой темнохвойными лесами, находящимися в зоне охвата.
В темнохвойных сообществах непрерывно происходят процессы дифференциации отмирания и отпада деревьев. Причинами катастрофической гибели деревьев являются пожары, ветровалы, буреломы, засухи, аномально низкие зимние температуры, инвазии насекомых, грибные и бактериальные заболевания. Крупные пожары в темнохвойных формациях возникают только в годы с экстремальными пожароопасными сезонами, обусловленными длительными засухами. Вследствие прохождения крупных пожаров темнохвойные сообщества замещаются лесами, сформированными мелколиственными породами.
После пожара темнохвойные коренные сообщества восстанавливаются через длительнопроизводную смену главных пород, поэтому молодых и средневозрастных лесов в районе проведенных исследований мало. Темнохвойные насаждения представлены главным образом заключительными стадиями послепожарного восстановления с возрастом древостоя в пихтачах более 130 лет в кедрачах и ельниках более 160 лет.
В отличие от сосняков, которые значительно реже полностью погибают в результате пожара и только частично изреживаются (при этом изменяется характер живого напочвенного покрова, подроста и подлеска), в темнохвойных насаждениях в периоды сильных засух низовые пожары часто переходят в верховые, что приводит к полной гибели древостоя. Однако, при высокой влажности напочвенных горючих материалов и как следствие низкой пожарной опасностью, низовые пожары возникают в них сравнительно редко. Пожары в кедрачах и ельниках с кедром повторяются через 90-130 лет пихтачах через 70 лет (Фуряев, 1996), однако некоторые исследователи констатируют и более длительные межпожарные интервалы, например Д. Молликоне с соавторами (МоШсопе, 2002) для темнохвойных лесов среднетаёжной подзоны Приени-сейской Сибири определил период повторяемости в 520 лет.
Средние запасы органического вещества, аккумулированного в крупных древесных остатках, в темнохвойных насаждениях изменяются от 48 т га-1 в кедрачах зеленомошных и до 62 т га-1 в пихтачах зеленомошных (рис.).
7 100 г
2 ■ _
н 80 - т
£ 60 - _ ---------------- -----------
I 40 | Г±1 ]_
20 -
0 ------------1----------1----------1
К. змш П. змш Е. змш
Рисунок - Средние запасы КДО в темнохвойной тайге. К. змш - кедрачи зеленомошные, П. змш - пихтачи зеленомошные, Е. змш - ельники зеленомошные.
В ельниках зеленомошной группы типов леса средние запасы стволов и пней отпавших деревьев составляют около 60 т га-1. Минимум запасов в 2,1 т га-1 и максимум 265 т га-1 отмечен в кедрачах. Наиболее близкие величины аккумуляции органического вещества в крупном фитодетрите с разницей в 2,5 т га-1 получены для пихтачей и ельников зеленомошной группы типов леса. Условия местопроизрастания с избыточным увлажнением и слабым дренажом способствуют снижению скорости разложения древесины и препятствуют частому возникновению крупных пожаров, что объясняет наличие достаточно больших запасов органического вещества аккумулированного в КДО темнохвойных насаждений.
Общие запасы крупных древесных остатков для темнохвойных насаждений, произрастающих на территории радиусом 100 км от измерительной вышки, на площади 1,5 млн. га составляют для кедрачей 2,98 млн.т., для ельников и пихтачей 89,42 млн. т, с аккумуляцией органического вещества в целом около 92,4 млн.т.
В темнохвойных лесах разного породного состава величины средних запасов крупного фитодетрита, имеют небольшое варьирование, различия составляют около 23 %. Достаточно большие и сопоставимые значения запасов крупного фитодетрита, между насаждениями, сформированными разными лесообразователями, в темнохвойной тайге объясняются тем, что данные насаждения представлены главным образом спелыми и перестойными сообществами, в которых при отсутствии крупных пожаров происходит значительное накопление мертвой древесины.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В лесных экосистемах Приенисейской Сибири в подзоне средней тайги в зоне охвата измерительной вышки обсерватории 20ТТ0 радиусом до 100 км средние запасы крупных древесных остатков в темнохвойных насаждениях изменяются в
небольшом диапазоне и в среднем составляют около 56 т га-1. Согласно занимаемой площади и средним запасам КДО по всем классам темнохвойной растительности установлено, что 97 % всего крупного фитодетрита аккумулировано в пихтовых и еловых насаждениях.
Таким образом, в результате проведенных исследований получены данные по средним и общим запасам крупного фитодетрита на поверхности почвы в темнохвойных насаждениях средней тайги для формирования базы данных по запасам мертвого органического вещества.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Боровиков А.М. Справочник по древесине / А.М. Боровиков, Б.Н. Уголев. - М.: Лесная промышленность, 1989. - 294с.
Замолодчиков Д.Г. Оценка пула углерода крупных древесных остатков в лесах России с учетом влияния пожаров и рубок / Д.Г. Замолодчиков. - Лесоведение, 2009, №4. - С. 3-15.
Исаев А.С. Углерод в лесах северной Евразии / А.С. Исаев, Г.Н. Коровин // Круговорот углерода на территории России, под общей ред. Г.А. Заварзина. -М, 1999. - 325с.
Климченко А.В. Аккумуляция углерода в валёжнике лиственничников северной тайги Средней Сибири /
А.В. Климченко. - Лесное хозяйство. 2005, №5. - С. 33-34.
Коротков И.А. Лесорастительное районирование России и республик бывшего СССР / И.А. Коротков // Углерод в экосистемах лесов и болот России. Красноярск: ИЛ СО РАН, 1994. - С. 29-47.
Кошурникова Н.Н. Бюджет углерода в темнохвойных лесах южной тайги: Автореф. дис.... канд. биол. наук: 03.00.16. / Н.Н. Кошурникова. - Красноярск: ИЛ СО РАН, 2007. - 20с.
Моисеев Б.Н. Об оценке запаса и прироста углерода в лесах России / Б.Н. Моисеев, А.М. Алферов,
В.В. Страхов. - Лесное хозяйство, 2000, №4, - С. 18-20.
Мухортова Л.В. Особенности процесса разложения стволового валежа в лесных экосистемах Центральной Сибири / Л.В. Мухортова //Экологогеографические аспекты лесообразовательного процесса: Матер. Всерос. конф. - Красноярск, 2009. - С. 265-268.
Полубояринов О.И. Плотность древесины / О.И. Полу-бояринов. - М.: Лесная промышленность, 1976. -160с.
Радюкина А.Ю. Влияние валежа на свойства дерновоподзолистых почв / А.Ю. Радюкина. - Лесоведение, 2004. №4. - С. 51-60.
Стаканов В.Д. Характеристика лесного покрова /
В.Д. Стаканов // Лесные экосистемы енисейского меридиана. - Новосибирск: изд. СО РАН, 2002. - С. 19-24.
Уткин А.И. Углеродный цикл и лесоводство / А.И. Уткин. - Лесоведение, 1995, №5. - С. 3-20.
Фуряев В. В. Динамика пирологических режимов ландшафтных урочищ южной тайги Средней Сибири в XVIII-XX столетиях / В.В. Фуряев, В.И. Заболоцкий, И.Г. Голдамер. - Сибирский экологический журнал, 2006, №2. - С. 141-150.
Kozlova E. A. Seasonal, synoptic, and diumal-scale variability of biogeochemical trace gases and O2 from a 300-m tall tower in central Siberia // E.A. Kozlova, A.C., Manning, Y. Kisilyakhov, T. Seifert, M. Heimann. - Global Biogeochemical Cycles, 2008, 22, GB4020, doi:10.1029/2008GB003209.
Mollicone D. A remote sensing based approach to determine forest fire cycle: case study of the Yenisei Ridge dark taiga / D. Mollicone, F. Achard, L.B. Marchesini, S. Federici, C. Wirth, M. Leipold, S. Rosellini, E.-D. Schulze, R. Valentini. - Tellus, 2002, №54B. - P.688-696.
Yatskov M. A chronosequence of wood decomposition in the boreal forests of Russia / M. Yatskov, M.E. Harmon, O.N. Krankina. - Canadian Journal of Forest Research, 2003, V. 33, - Р. 1211-1226.
Поступила в редакцию 17 июня 2010 г. Принята к печати 3 ноября 2011 г.
