CC BY
23
УДК 630.431
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ВЛАЖНОСТИ ЛЕСНОЙ ПОДСТИЛКИ С ПОЛНОТОЙ ЕЁ ВЫГОРАНИЯ В ЛИСТВЕННИЧНИКАХ МЕРЗЛОТНОЙ ЗОНЫ
А.М. Матвеев, Т.А. Матвеева
ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»
660049 Красноярск, пр. Мира, 82
Рассматривается влияние влажности лесной подстилки на полноту ее выгорания при контролируемых выжиганиях в лиственничных ценозах лишайниковой и кустарничково-моховой группах типов леса. Выявленная зависимость позволяет через влажность фитодетрита определять силу пирогенного воздействия на лесной биогеоценоз, что открывает перспективы управления лесовозобновительными процессами в бореальных лесах мерзлотной зоны. Установлено возрастание толщины депонированной мортмассы в сырых местообитаниях, связанное с замедленным разложением отмершей органики в условиях неблагоприятного гидротермического режима эдафото-па.
The influence of forest litter moisture on the degree of litter consumed by control burning in larch cenosis of cladina and fruticulose-mossy forest types are considered. The obtained dependence allowed elaborating the intensity pyrogenic action on forest biogeocenosis, that is show perspectives of forest regeneration management in boreal forests of cryolith-ic zone. In muddy ecotops the thickness of deposit mortmass is increases, that explained the slow deterioration of phyto-detrit in conditions by foul hydrothermal regime of edaphotop.
ВВЕДЕНИЕ
Леса высоких широт характеризуются большими накоплениями углерода, что обусловлено низкой скоростью разложения органического вещества в условиях короткого лета и своеобразия гидротермического режима почв. Уступая другим лесным экосистемам по площади, запасам фитомассы и биологической продуктивности, бореальные леса существенно превосходят их по своему воздействию на биосферу и параметрам углеродного цикла [4, 11], так как депонируют углерод не только в биомассе растений, но и в фитодетрите [20].
Отличительными особенностями лиственничных ценозов, произрастающих на многолетнемерзлых почвах, являются низкая продуктивность дре-востоев, незначительные запасы древесины на единицу площади, ослабленный восстановительный потенциал. Как отмечают многие исследователи [1,
8, 9, 15, 17], для активизации восстановительных процессов необходимо достаточно сильное экзогенное воздействие, устраняющее причины сдерживающего характера. Среди последних следует указать мощный слой мохово-лишайникового покрова и находящегося под ним фитодетрита, затрудняющий укоренение всходов в минеральном грунте. По нашим наблюдениям [7], толщина подстилки в лиственничниках среднетаежной подзоны варьируется от 3 см в сухих экотопах до 8 см и более - в сырых.
Вместе с тем состояние напочвенного покрова определяет не только успешность возобновительного процесса, но и уровень пожарной опасности в лесу, то есть возможность возникновения пожара и его интенсивность. Одним из главных факторов, от которых зависит полнота сгорания горючих материалов, выступающая в биогеоценозах криолитозо-ны как показатель силы пожара, а следовательно, и степени трансформации условий местообитания [5,
16] является влажность проводников горения [3, 6].
Из напочвенных горючих материалов наиболее важное лесоводственное и экологическое значение в криогенной зоне имеет подстилка. При ее выгорании трансформируются эдафические условия и в первую очередь гидротермический режим и химические свойства почвы, возрастает мощность деятельного слоя, изменяется режим питания растений. В зависимости от степени увлажнения коренного экотопа и гранулометрического состава почвы может происходить иссушение ее поверхностного слоя либо, наоборот, заболачивание, что негативно влияет на появление новой генерации древесных пород.
И еще одна особенность, характерная для эда-фотопов мерзлотной зоны: на влажных почвах в связи с температурным градиентом ризосфера залегает неглубоко, так как интенсивный рост корней идет в верхних горизонтах. Проявляя положительный термотропизм, значительная часть корней с удалением от ствола поднимается к поверхности [12] и располагается в подстилке. Поэтому устойчивые низовые пожары, при которых горение заглубляется в нижние слои фитодетрита, повреждают корни деревьев, вызывая большой отпад древостоя и снижая плотность ценопопуляции. Таким образом, выгорание мертвой напочвенной фитомассы не только изменяет экологические факторы, но и воздействует на фитоценотические причины, обусловливающие конкурентные отношения в растительном сообществе, блокирующие или задерживающие реализацию потенциальных возможностей роста послепожарной генерации.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В соответствии со сказанным, целью работы явилось установление зависимости полноты сгорания подстилки от ее влажности. Это позволит обос-
новать время контролируемых выжиганий, постпи-рогенные последствия которых окажут благоприятное действие на качество возобновительной среды в различных местообитаниях. Исследования проведены в Учамском округе среднетаежных лиственничных и елово-кедровых лесов Эвенкийской провинции. Полигоны расположены в юго-восточной части Тунгусского плато, на левобережье р. Вэтэтэ, в 12-15 км от места впадения в р. Учами. Объектами исследований служили лиственничники из Ьапх gmelinii (Яирг.) Яирг. лишайниковой и кустарнич-ково-моховой групп типов леса, репрезентирующих лесной фонд региона работ.
Описание насаждений и учетные работы выполняли в соответствии с общепринятыми методиками [12, 14]. Запасы подстилки определяли согласно рекомендациям Н.П. Курбатского [6]. Учетные площадки размером 0,2 х 0,25 м распределяли на пробной площади с соблюдением принципа случайной выборки, то есть равномерно в пределах опытного участка. Число площадок на пробе равнялось 25, что обеспечивало 10% точность наблюдений.
Массу и влажность подстилки устанавливали термо-весовым способом, а ее толщину замеряли на
сторонах учетной площадки, вычисляя среднее значение. Полноту сгорания фитодетрита, выражаемую в процентах, рассчитывали по разнице толщины слоя до и после эксперимента.
Выжигания напочвенной фитомассы фронтальным огнем осуществляли на участках размером 25 х 25 м. Использование фронтальной кромки объясняется стабильностью и высокой скоростью ее распространения, а также более полным выжиганием горючих материалов по сравнению с другими тактическими элементами кромки пожара [9]. Кроме того, как отмечают зарубежные исследователи [18,
19, 21], зажигание по линии с наветренной стороны участка формирует динамику, схожую с динамикой стихийного лесного пожара.
Чтобы охватить весь спектр огневого воздействия на органическую составляющую эдафотопа, эксперименты проводили при широкой амплитуде погодных условий. При этом влажность фитодетрита варьировалась в большом диапазоне и способствовала разной степени выгорания мертвой органики. Число опытных участков составило 53 и 57 в сухих и сырых экотопах, соответственно. Результаты обследования шести типичных участков (по три от каждой группы типов леса) представлены в таблице 1.
Таблица 1- Характеристика опытных участков
№ астка Тип лиственничного леса Состав Высота, м Диаметр, см Возраст, лет Полнота Класс бонитета Запас, м3/га
1 Бруснично- лишайниковый 10Лед.С 16,3 21,8 180 0,43 V 105
2 Лишайниковый 10Л 15,7 21,2 200 0,47 V 110
3 Бруснично- лишайниковый 8Л2С 12,7 11,5 13,2 13,0 120 110 0,61 V 120
4 Голубично- бруснично- моховой 9Л1Б 14,9 13,2 17,6 12,8 180 100 0,46 V 100
5 6 Голубично- аулакомниевый Голубично- багульниково- моховой 10 Лед.Е 8Л2Б 12,8 11,4 10,2 14,4 10,2 8,7 100 90 90 0,53 0,47 V Vа 95 80
Сухие местообитания представлены чистыми древостоями из главной породы, иногда с участием сосны. Производительность - V класс бонитета, продуктивность невысокая. Подлесок редкий, либо отсутствует, в напочвенном покрове преобладают кустистые лишайники рода Cladonia и Cetraria, а также кустарнички семейства Ericaceae. На почвах с избыточным увлажнением в составе древостоя в небольшом количестве присутствуют Picea obovata Ledeb. и Betula platyphylla Sukacz. В живом напочвенном покрове роль субэдификаторов принадлежит зеленым мхам рода Aulacomnium и кустарничкам Ledum palustre L., Vaccinium uliginosum L., V.vitis - idaea L. Производительность древостоев низкая - V - Vа классы бонитета, запасы древесины в спелом возрасте - около 100 м3/га. Естественное возобновление главной породы на экспериментальных участках слабое, зачастую неудовлетворительное. Подрост лиственницы приурочен, в основном, к окнам древесного полога и к местам, где по каким-либо причинам отсутствуют или слабо развиты мохово-лишайниковый покров и подстилка.
Под пологом древостоя подрост сильно угнетен.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ результатов огневых опытов показал, что выгорание самого верхнего генетического горизонта почвы в значительной мере определяется степенью его увлажнения. Такая зависимость отличается стабильностью и имеет тенденцию увеличения полноты сгорания мортмассы при высыхании ее слоя (рис. 1).
Устанавливаемая зависимость для обеих групп типов леса аппроксимируется параболой третьего порядка вида
у=в0 + в^ + в2х2 +в3х3 (1)
где у - полнота сгорания подстилки, %;
х - влажность подстилки, %.
Параметры уравнений и статистические показатели (Я2 - коэффициент детерминации, д - относительная статистическая ошибка) приведены в таб-
лице 2.
Данные таблицы указывают, что уравнения с высокой степенью точности описывают связь между исследуемыми величинами в конкретных экото-пах, что иллюстрируют коэффициенты детерминации.
я © — =
о §
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Влажность подстилки, %
Рисунок 1 - Зависимость полноты сгорания подстилки от ее влажности (а-сухие экотопы, б-сырые экото-пы)
Как видно из рисунков, в разных экотопах выгорание подстилки происходит неодинаково. Так, мощный ее слой в кустарничково-моховой группе типов леса начинает гореть при влажности 220%, а в лиственничниках лишайниковой группы - при 180%. Чтобы толщина оставшейся после эмпирического пожара подстилки составила 1-1,5 см, когда на участках формируется благоприятная
возобновительная среда [7], в сухих условиях произрастания мертвая органика должна содержать влагу в пределах 60-90%, а в сырых данный показатель уменьшается до 40-60%.
Можно говорить, что существует достаточно детерминированная связь между условиями местообитания, определяющими быстроту разложения фитодетрита и, как следствие, накопление его массы, и полнотой выгорания растительных остатков. В лишайниковой группе типов леса темпы накопления органического вещества минимальные; толщина подстилки здесь составляет в среднем чуть более 3 см и общее влагосодержание слоя изменяется быстрее, чем в кустарничково-моховых типах.
В сырых экотопах, где баланс между интенсивностью важнейших физиологических процессов, ответственных за продуцирование биомассы растений, и скоростью разложения фитодетрита более чем в других местообитаниях, сдвинут в сторону депонирования органики, толщина подстилки была равна 8 см. В этих условиях особенно четко прослеживается неравномерность ее увлажнения: просыхание начинается сверху, и через определенное время верхний слой достигает критического влагосодержания. Далее, по мере увеличения глубины слоя подстилки, наблюдается нарастание влажности.
Данный факт, отмеченный в работах многих исследователей [6, 10, 13], объясняет разную величину критического влагосодержания у одного типа горючих материалов - в естественной среде толщина слоя отдельных компонентов напочвенного покрова и подстилки варьируется в широком диапазоне. Если максимальное содержание воды в конкретном виде, позволяющее огню распространяться по слою горючего, достаточно точно определяется с помощью лабораторных экспериментов, то в полевых условиях, как правило, данный показатель устанавливают для всего слоя, в том числе для его нижней несгоревшей части.
Таблица 2 - Характеристики уравнений зависимости полноты сгорания подстилки от ее влажности______________
„ „ Статистические
Іруппа типов леса и Параметры уравнении
номер уравнения ----------------------
В1
В2
вз
показатели
Я
Лишайниковая
1.1
Кустарничково-моховая
1.2
117,8114
104,7677
-1,1059
-0,5084
0,0052
0,0023
-1,4452 1 -005 -9,5461 1-006
0,962
0,966
11,09
9,77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты позволяют дать оценку влажности подстилки в разных лесорастительных условиях криолитозоны, фактора, от которого зависит возможность воспламенения отмершей органики и степень ее выгорания. Последнее обстоятельство определяет уровень трансформации пиро-генного экотопа - характер изменения эдафических условий и фитоценотической среды, которые формируют направленность восстановительных сукцессий. Выявленная зависимость полноты сгорания подстилки от ее влажности позволяет устанавли-
вать оптимальную степень выжигания органогенного субстрата, создающую благоприятные предпосылки для появления нового поколения лиственницы и формирования в перспективе устойчивой лесной экосистемы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Абаимов, А.П. Леса мерзлотной зоны Сибири: региональные особенности, природная и антропогенная динамика / А.П. Абаимов // Структурнофункциональная организация и динамика лесов: материалы Всероссийской конференции. - Красноярск,
2004. - С. 244-246.
2. Анучин, Н.П. Лесная таксация / Н.П. Анучин. - М.: Лесная промышленность, 1971. - 512 с.
3. Жуковская, В.И. Увлажнение и высыхание гигроскопических лесных горючих материалов / В.И. Жуковская // Вопросы лесной пирологии: сб. ст. - Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1970. - С. 105-141.
4. Заварзин, Г.А. Вступление / Г.А. Заварзин // Круговорот углерода на территории России. - М., 1999. -С. 11-16.
5. Исаев, А.С. Низовые пожары в лиственничных лесах Восточной Сибири и значение стволовых вредителей в послепожарном состоянии древостоя / А.С. Исаев, А.И. Уткин // Защита лесов Сибири от насекомых вредителей. - М. : Изд-во АН СССР, 1963. - С. 118183.
6. Курбатский, Н.П. Исследование количества и свойств лесных горючих материалов / Н.П. Курбат-ский // Вопросы лесной пирологии: сб. ст. - Красноярск, 1970. - С. 5-58.
7. Матвеев, А. М. Пожары среднетаежной подзоны Восточной Сибири / А. М. Матвеев. - Дивногорск : Изд-во ИПКЛХ СиДВ, 2002. - 171 с.
8. Матвеев, А.М. Послепожарное лесовозобновление в сырых экотопах криолитозоны / А.М. Матвеев // Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: материалы 6-й международной конференции, 5-11 сентября 2005 г. - Томск, 2005. - С. 75.
9. Матвеев, П.М. Последствия пожаров в лиственничных биогеоценозах на многолетней мерзлоте: авто-реф. дис. ... докт. с.-х. наук: 06.03.03 / П.М. Матвеев.
- Йошкар-Ола, 1992. - 49 с.
10. Нестеров, В. Г. Пожарная охрана леса / В. Г. Нестеров. - М.: Гослестехиздат, 1945. - 146 с.
11. Писаренко, А.И. Экологические аспекты управления лесами России / А.И. Писаренко // Лесное хозяйство.
- 2000. - № 3. - С. 8-12.
12. Прокушкин, С.Г. Роль корней в адаптации листвен-
ницы Гмелина к гипотермии / С.Г. Прокушкин // структурно-функциональная организация и динамика лесов: материалы Всероссийской конференции. -Красноярск, 2004. - С. 192-194.
13. Софронов, М.А. Пирологическое районирование в таежной зоне / М.А. Софронов, А.В. Волокитина. -Новосибирск: Наука, 1990. - 204 с.
14. Сукачев, В.Н. Методические указания к изучению типов леса / В.Н. Сукачев, С.В. Зонн. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 144 с.
15. Уткин, А.И. О вкладе лесов России в глобальный углеродный цикл / А.И. Уткин, Д.Г. Замолодчиков, О. В. Милова // Структурно-функциональная организация и динамика лесов: материалы Всероссийской конференции. - Красноярск, 2004. - С. 212-215.
16. Фуряев, В.В. Роль пожаров в процессе лесообразо-вания / В.В. Фуряев. - Новосибирск: Наука, 1996. -253 с.
17. Цветков, П.А. Пирогенные свойства лиственницы Гмелина в северной тайге Средней Сибири: автореф. дис. ... д-ра биол. наук: 06.03.03 / П.А. Цветков. -Красноярск, 2005. - 40 с.
18. Carbon assimilation and growth of pine forest in Central Siberia / Schulze E.D. [et al.] // Abstract of Workshop on Spatial - Temporal dimentions of high-latitude Ecosystem Change (The Siberian IGBP Transect). - Krasnoyarsk, Russia, 1997. - P. 29-30.
19. Johansen, R.W. Ignition Patterns and Prescribed Fire Behavior in Southern Pine Stands / R.W. Johansen. -Georgia Forestry Commission, Macon, Georgia. Georgia Forest Research Paper 72, 1987.
20. McRae, D.J. Site preparation — prescribed fire in Regenerating the Canadian Forest : Principles and Practices for Ontario. R.G. Wagner and S.J. Columbo (editors) / McRae D.J., Weber M.G., Ward P.C. // Fitzhenry and Whiteside. - Markham, Ontario. - 2001. - P. 201-219.
21. Weber, R. O. Analytical models for fire spread due to radiation Combustion and Flame / R.O. Weber. - 78, 398-408, 1989.
Поступила в редакцию 20 февраля 2007 г. Принята к печати 26 ноября 2007 г.
