CC BY
70
УДК 574.42.+502.58;
ББК 28.080.3 Антипова А.В., Прохорова Н.В.
ИЗУЧЕНИЕ ПОСТПИРОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ГОРНОМ СОСНЯКЕ НА ТЕРРИТОРИИ ЖИГУЛЕВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЗАПОВЕДНИКА
Antipova A.V., Prochorova N. V.
THE STUDY OF POSTFIRE CHANGES IN MOUNTAIN PINE FOREST IN ZHIGULEVSKY STATE RESERVE
Ключевые слова: сосняки, постпирогенные процессы, экоморфы, биоэкологический анализ
Key words: pine, postfire processes, ekomorfs, Bioecology-theoretical analysis
Аннотация
В статье представлен материал экспериментального изучения последствий пожара в сосновых лесах на территории Жигулевского государственного заповедника.
Abstract
The paper presents an experimental study of the material consequences in the heat in the pine forests in the state Zhigulevsky state Reserve.
В настоящее время во многих странах мира, в том числе и в России, лесные пожары превратились в серьезную экологическую проблему. Причинами возникновения лесных пожаров все чаще становится антропогенный фактор, а ущерб, нанесенный природе и экономике, исчисляется огромными суммами. Естественное и искусственное восстановление лесов после пожара является длительным процессом, результаты которого во многом зависят от степени и направленности первичных постпирогенных изменений лесных экосистем. Для организации лесовосстановительных мероприятий и их успешного осуществления необходимо изучать региональные особенности постпирогенных процессов в наиболее ценных лесных массивах, к которым, несомненно, относятся леса заповедников [14].
Настоящие исследования проводились в июле 2010 г. на территории Зольновского лесничества в границах Жигулевского государственного заповедника им. И.И. Спрыгина. Пробные площади для полевых исследований были заложены на высоте 248 м над уровнем моря в 35-ом квартале лесничества на юго-западном гребне гор. Всего были выделены
2 пробные площади размером 50х50 м, расположенные в одновозрастном горном сосняке на дерново-карбонатных почвах. Экспериментальная пробная площадь в 2008 г. пострадала от беглого низового пожара, вторая, используемая в качестве контроля, не была затронута пожаром, но полностью совпадала с экспериментальной по мезо- и микрорельефу, почвенному покрову, составу, возрасту и сомкнутости древостоя, характеру подлеска.
Анализ семенной продуктивности и семенного возобновления сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) проводился случайно-регулярным способом путем заложения 50 учетных площадок размером 1х1м. Учитывались следующие показатели: среднегодовая продукция семян сосны на единицу площади, количество, возрастной состав и жизненность подроста.
Метод учета опавших шишек был предложен Р. Сарвасом [15] и применялся рядом исследователей в хвойных лесах различных географических регионов. Метод обладает относительно невысокой трудоемкостью и позволяет одновременно с измерением характеристик полога подроста на учетных площадках получить данные о среднем количестве семян, поступающем ежегодно на единицу площади изучаемого сообщества.
Учет числа опавших шишек проводят на каждой учетной площадке, при этом подсчитывают все неразложившиеся шишки (с чешуями, не отделившимися от стержня), находящиеся на поверхности и внутри лесной подстилки. Полученные данные позволяют оценить продукцию семян хвойных в пределах сообщества, которая подсчитывается по следующей формуле: Ds= Dc* (Nsc/ Tcd), где Ds - среднегодовая продукция семян на единицу площади; Dc - среднее число опавших шишек на единицу площади; Nsc - среднее число семян в шишке; Tcd - время разложения шишки после опадания.
При исследовании древостоя учитывались такие показатели, как состав древостоя, высота и диаметр деревьев, высота подпалин и жизненное состояние деревьев по шкале С.Л. Рысина [11]. При изучении жизненного состояния для стоящих деревьев используются баллы от 0 до 5, а для обозначения буреломных и ветровальных стволов - от 6 до 0. Категории жизненного состояния определяются по совокупности признаков: ажурности кроны, приросту по высоте, состоянию ветвей, ствола и корней.
При изучении кустарникового яруса учитывались такие показатели, как видовой состав, общая площадь проективного покрытия, доля проективного покрытия каждого вида, максимальная высота [8].
На каждой пробной площади был изучен видовой состав травостоя и осуществлен его биоэкологический анализ по системе экоморф А.Л. Бельгарда в модификации
Н.М. Матвеева [1,6] и системе жизненных форм К. Раункиера [6].
Для изучения лесной подстилки на каждой пробной площади было намечено 5 учетных площадок (25х25 см) в межкроновых пространствах. На каждой учетной площадке подстилку отбирали на всю глубину ее мощности в количестве, достаточном для последующего морфологического и химического анализа [8]. При этом замеряли мощность каждого горизонта лесной подстилки.
На изучаемых пробных площадях состав древостоя имел смешанный характер и, кроме сосны обыкновенной, включал примеси липы сердцевидной (Tilia cordata Mill.), клена платановидного (Acer platanoides L.) и березы бородавчатой (Betula pendula Roth). Возраст сосен составлял около 100 лет при среднем диаметре 30-40 см и средней высоте 21,5 м. На горевшей пробной площади было обследовано 44 экземпляра сосны, а на контрольной - 39 экземпляров.
Среднегодовая продукция семян на 1 м2 в горевшем массиве составила 52, а в контрольном 47 шт., что указывает на некоторую активизацию семенной продуктивности сосны под воздействием пожара.
При проведении комплексных исследований подроста не было выявлено проростков и сеянцев сосны на обеих пробных площадях, что, очевидно, связанно с тяжелыми условиями лесовосстановления, обусловленными крайне засушливым летом 2010 г., поскольку существенное значение для лесовосстановительных процессов имеет влажность воздуха и почв [4]. И.Ю. Месоед [7] первым отметил важное свойство конуса тени деревьев для естественного возобновления сосны. Развивая это положение, Л.Н. Грибанов [2] установил, что сохранение соснового подроста и формирование из него естественных насаждений связано не столько с урожаем семян, сколько с благоприятными погодными условиями. Лимитирующим фактором естественного возобновления сосны является дефицит влажности почв.
Рельеф и экспозиции склонов также оказывают существенное влияние на естественное возобновление сосны. Как правило, наибольшее количество самосева наблюдается на склонах северных и западных экспозиций [4]. В нашем случае речь идет о юго-западной экспозиции склона, что так же могло послужить решающим фактором, обусловившим отсутствие возобновления сосны в вегетационный сезон 2010 г.
На покрытых сосновыми лесами склонах Жигулевских гор чаще всего бывают низовые пожары. Горит сухая лесная подстилка, образованная опавшей хвоей, шишками, корой, листьями и т.п. Она долго тлеет, нагнетая под землей очень высокую температуру, что сильно повреждает корневую систему сосны. Все это приводит к тому, что дерево не
может устоять перед порывами ветра и нападением жуков-короедов. Кроме того, часто выгорает и смолистая часть ствола, так что внутри его образуется полость. Фактически от дерева остается только хрупкая внешняя оболочка, покрытая корой [15].
Средняя высота подпалин у сосен на горевшей пробной площади составила 71 см. На обеих пробных площадях была произведена оценка жизненного состояния древостоя по 10-балльной шкале С.Л. Рысина [11]. На пробной площади, пострадавшей от пожара, подавляющее большинство сосен (66%) были отнесены к свежему сухостою, 16 % по всем признакам выглядели ослабленными, 9 % - сильно ослабленными. Остальная часть, в общей сложности 9 %, приходилась на усыхающие экземпляры, свежий ветровал и свежий бурелом. Было отмечено также массовое поражение сосны короедами. Таким образом, сосна на исследуемом постпирогенном пространстве является отмирающей породой, не проявляющей естественное семенное возобновление. При этом сопутствующие древесные породы, такие как клен платановидный и липа сердцевидная, характеризуются активным порослевым и семенным возобновлением (табл.1.).
Таблица 1. Жизненное состояние сосны на изучаемых пробных площадях
Жизненное состояние по шкале Рысина, баллы Количество деревьев, шт
Гарь Контроль
Здоровое дерево - 0 0 39
Ослабленное - 1 7 0
Сильно ослабленное - 2 4 0
Усыхающее - 3 1 0
Свежий сухостой - 4 29 0
Старый сухостой - 5 0 0
Свежий ветровал - 6 2 0
Старый ветровал - 7 0 0
Свежий бурелом - 8 1 0
Старый бурелом - 9 0 0
На контрольной пробной площади все изученные экземпляры сосны были отнесены к категории «Здоровое дерево», иных категорий сосен в соответствии со шкалой Рысина здесь не было обнаружено.
Кустарниковый ярус на обеих пробных площадях представлен 3 видами: бересклет бородавчатый (Euonymus verrucosa Scop.), костяника (Rubus saxatilis L.), калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) Общая доля проективного покрытия кустарникового яруса на горевшей пробной площади составляла 23%, что почти в 3 раза выше по сравнению с контрольной пробной площадью (8%). Это объясняется активизацией порослевого размножения кустарников в период после пожара.
Основную часть в проективном покрытии кустарникового яруса занимает костяника (49-61 %). Установлено, что на гарях происходит активное разрастание куртин этого вида при помощи корневой поросли и, как следствие, возрастание доли проективного покрытия до 61 %. Средняя высота кустарникового яруса на обеих пробных площадях составила 80-100 см.
На горевшей пробной площади ферментационный и гумификационный слои подстилки практически полностью были уничтожены пожаром и не успели восстановиться. Под слоем опада располагается слой золы толщиной около 1 см, и далее сразу идет гумусовый горизонт почвы. Из-за нарушения процессов деструкции на горевшей территории слой опада несколько больше, чем в контроле (табл.2.). В нижней части склона наблюдается естественное увеличение толщины слоя листового опада. На горевшей пробной площади отмечена активизация эрозии почвы, захватившей 17-20 % ее поверхности. Это подтверждают данные других исследователей, показавших, что
уничтожение лесной подстилки в результате пожара приводит к развитию струйчатой водной эрозии уже в первую весну после пожара. Постпирогенные процессы могут сопровождаться изменением гранулометрического состава почв, развитием ветровой и водной эрозии [4], что и наблюдается на горевшей пробной площади в Жигулевском заповеднике.
Изучение видового разнообразия травостоя показало, что на горевшей территории количество видов (17) увеличилось почти вдвое по сравнению с контрольной пробной площадью (9). Это связано с тем, что лесная подстилка, препятствующая прорастанию и развитию семян трав, частично или полностью выгорела, почва обогатилась зольными элементами. Эти процессы способствуют активному проникновению и закреплению травянистых видов на горевшей пробной площади.
Таблица 2. Изучение мощности слоев лесной подстилки
Наименование слоев подстилки Мощность, см
Гарь Контроль
Слой опада 2,62 2,48
Ферментационный слой 0 5,7
Гумификационный слой 0 7,6
Для биоэкологического анализа травянистого покрова на обеих пробных площадях была использована система экоморф, предложенная в 1950 г. А.Л. Бельгардом для степной зоны [1] и модифицированная позднее Н.М. Матвеевым для лесостепной и степной зон [6]. В ней выделяются группы видов по отношению к сообществу в целом - ценоморфы (сильванты - Sil, степанты - St, пратанты - Pr, палюданты - Ра1, рудеранты - Ru); к световому режиму - гелиоморфы (гелиофиты - Не, сциогелиофиты - ScHe, гелиосциофиты
- HeSc, сциофиты - Sc); к солевому режиму, или трофности почвы - трофоморфы (олиготрофы - OgTr, мезотрофы - MsTr, мегатрофы - MgTr); водному режиму почв -гигроморфы (ксеромезофиты - KsMs, ксерофиты- ^, эуксерофиты - EKs, мезоксерофиты
- MsKs, мезофиты - Ms, гигромезофиты -HgrMs, мезогигрофиты - Ms, гигрофиты - ^г); тепловому режиму - термоморфы (олиготермы - OgT, мезотермы - MsT, мегатермы -MgT).
Использование этой модифицированной системы позволило установить, что доминирующую позицию на постпирогенном пространстве района исследований занимают сильванты (70%) и рудеранты (12%), а в контрольном лесном фитоценозе все виды травянистых растений являются сильвантами.
В сосновых лесах, особенно после пожаров, степень освещенности довольно велика, поэтому в них присутствуют светолюбивые виды (29 %). Но поскольку данный лесной фитоценоз не является чисто хвойным, а содержит примеси широколиственных пород, в них значительна доля сциофитов - (29%). Около четверти всех видов принадлежит к сциогелиофитам (24%) и 18 % приходится на гелиосциофиты. В контрольном лесном фитоценозе из-за значительной степени затенения широколиственными породами 62 % травянистых растений относится к сциофитам, четверть видов - к сциогелиофитам и 13 % приходится на гелиосциофиты.
Среди трофоморф под кронами как горевшего, так и контрольного лесного массива преобладают мезотрофы (70-87%), следующая по величине группа - мегатрофы (13-24%). Однако в горевшем массиве доля последних больше, что может быть связано с обогащением почвы зольными элементами. На каменистых известняковых обнажениях, образовавшихся на горевшей территории из-за развившейся эрозии, отмечены виды-олиготрофы (6%).
Если на контрольной пробной площади подавляющее большинство видов (62%) относится к ксеромезофитам, способным обитать при относительном дефиците влаги, то на гарях доминирующую позицию занимает группа мезофитов (46 %), встречаются даже гигромезофиты (12%) и ультрагигрофиты (6%). Это свидетельствует об изменении
водного режима почв на постпирогенном пространстве в сторону увеличения влажности верхних почвенных горизонтов.
На обеих пробных площадях подавляющее большинство составляют виды-мезотермы (42-49 %). При этом установлено, что на гарях больше видов-олиготермов (41%), чем на контрольной пробной площади (13%), а мегатермов отмечено больше на контрольной пробной площади (38%).
Особенностью пирогенных сукцессий является то, что они начинаются не «с белого листа», как, например, на отвалах горных пород. Даже после сильных пожаров имеется некоторое количество живых почек возобновления, сохранившихся глубже термического ожога, существует так же возможность экспансии семязачатков с окружающих территорий, не затронутых пожаром. Среди этой вторичной растительности особое место занимают сообщества растений, которые можно разделить условно на две группы: пирофиты, пережившие пожар [10,12,13], и эксплеренты, поселившиеся на гарях после пожара [9]. Многочисленными исследованиями сосновых боров в других регионах была доказана значительная подверженность огню сосны обыкновенной и эволюционная роль пожаров в борах. Эта проблема детально исследована С.Н. Санниковым [12]. Но не только сосна обыкновенная приспособилась к обороту огня, сопряженно с ней приспособился весь комплекс эдификаторов и доминантов напочвенного покрова сосновых боров. Это так называемые пирофиты - растения, чьи почки возобновления находятся глубже 5 см [3], либо переживающие пожар в виде плодов, семян и других диаспор [10]. Все эти виды фиксируются на гари уже в первый год после пожара. Вторая группа видов (эксплеренты) -растения, поселяющиеся на гарях впервые, проникая на их территорию, как правило, извне. Это, прежде всего, собственно лесные виды, уничтоженные при пожаре, а так же рудеральные растения [4].
Система жизненных форм К. Раункиера [6] достаточно хорошо характеризует приспособленность различных видов растений к перенесению неблагоприятных условий [30]. Согласно этой системе, доминирующая роль как на горевшей, так и на контрольной пробных площадях, принадлежит гемикриптофитам (37-53%), у которых почки возобновления находятся на многолетних подземных органах на уровне поверхности почвы. Однако на гарях их доля возрастает, поскольку это связано с заглубленным расположением почек возобновления. Доля криптофитов примерно одинакова (35-37 %) на обеих пробных площадях. На гарях отмечены также терофиты (6%), которые на контрольной пробной площади не выявлены, 6-13 % приходится на хамефиты.
Проведенные нами комплексные исследования постпирогенных процессов, происходивших в горном сосняке на территории Жигулевского государственного заповедника после пожара 2008 г., показали следующее. Более 70 % особей сосны обыкновенной на горевшей пробной площади погибли в результате пожара и постпирогенных процессов, остальные особи оставались существенно ослабленными. Они отличались несколько повышенным продуцированием семян, но семенного возобновления через 2 года после пожара не наблюдалось. При этом сопутствующие древесные широколиственные породы и кустарники в этот период успешно восстанавливались как семенным, так и вегетативным путем. Низовой пожар уничтожил лесную подстилку, что стало причиной усиления эрозионных процессов на горных склонах. Постпирогенное осветление горевшего сосняка и обогащение его почв зольными элементами вызвало усиленную экспансию травянистых растений, увеличилось их видовое и экоморфное разнообразие по сравнению с контрольным сосняком. Выявленные процессы показали, что естественного восстановления соснового леса на месте гари не происходит. Cамовосстановление данного лесного фитоценоза приведёт к доминированию сопутствующих лиственных пород и вытеснению сосны, возобновление которой крайне затруднено особенностями рельефа и климатическими условиями. Засушливые и жаркие летние периоды последнего времени, сложная доступность горевшей территории не позволяют провести искусственное восстановление утраченных в
результате пожара насаждений сосны.
Библиографический список
1. Бельгард А.Л. Степное лесоведение. - М.: Лесная промышленность, 1971. - 336 с.
2. Грибанов Л.Н. Степные боры Алтайского края и Казахстана. - М.; Л.: Госбумиздат, 1960. - 154 с.
3. Куприянов А.Н., Ишутин Я.Н. Восстановление естественной растительности после пожара // Известия АГУ. Спец. вып. - Барнаул, 1999.- С. 123-126.
4. Куприянова А.Н., Трофимов И.Т., Заболоцкий В.И. Восстановление лесных экосистем после пожаров. - Кемерово: КРЭОО «ИРБИС», 2003. - 262 с.
5. Макарычев С.В., Беховых Ю.В., Сизов Е.Г. Гидротермический режим дерновоподзолистых почв на гарях Алтайского края // Проблемы лесоводства и лесовосстановления на Алтае. - Барнаул: Изд-во АГУ, 2001. - С. 26-27.
6. Матвеев Н.М. Биоэкологический анализ флоры и растительности (на примере лесостепной и степной зоны): Учебное пособие. - Самара: Самарский университет, 2006. -311 с.
7. Месоед И.Ю. Основные типы леса и естественное возобновление сосны в средней части ленточных боров // Тр. Лебяжинской ЗонЛОС. Вып. 1. - Свердловск; М.: Гослестехиздат, 1934. - С. 50 73.
8. Методы изучения лесных сообществ. - СПб.: НИИХ СПбГУ, 2002. - 240 с.
9. Раменский Л.Г. Проблемы и методы изучения растительного покрова. - Л.: Наука, 1971. - 334 с.
10. Родин Л.Е. Пирогенный фактор и растительность аридной зоны // Ботан. журн. -1981. - №12. - С.1673-1684.
11. Рысин Л.П. Лесная типология в СССР. - М.: Наука, 1982. - 216 с.
12. Санников С.Н. Циклически-эрозийная-пирогенная теория естественного возобновления сосны обыкновенной // Экология. - 1983. - №1. - С.3-9.
13. Фуряев В.В. Роль пожаров в процессе лесообразования. - Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 1996. - 251 с.
14. Саксонов С.В., Чуличков А.И., Кусова С.Т. Зарастание пожарищ // Наука и жизнь. - 2003. - №8 - С. 22-23.
15. Sarvas R. Investigation of the flowering and seed crop of Pinus sylvestris // Comm. Inst. forest. fenn. - 1962. - Vol.53. - P.1 - 363.
