CC BY
62
УДК:630.435 С.В. Жила, Г.А. Иванова, Е.А. Кукавская
ТРАНСФОРМАЦИЯ БИОМАССЫ НАПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОЖАРОВ В СВЕТЛОХВОЙНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ НИЖНЕГО ПРИАНГАРЬЯ*
Проведен анализ структуры биомассы напочвенного покрова и ее изменений под воздействием пожаров разной интенсивности в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья.
Установлено, что в данных насаждениях накопилось значительное количество горючих материалов, запас которых варьирует от 42 до 74 т/га, это способствует развитию как низкоинтенсивных, так и высокоинтенсивных пожаров. После пожара запасы напочвенного покрова снизились на 16-49 % в зависимости от его интенсивности. Эмиссия углерода при горении составила от 4,48 т/га при пожаре низкой интенсивности, до 15,89 т/га при высокоинтенсивном.
Ключевые слова: напочвенный покров, биомасса, насаждения, горючие материалы, пожар, эмиссия углерода, тип леса, глубина прогорания, Нижнее Приангарье.
S.V. Zhyla, G.A. Ivanova, E.A. Kukavskaya
TRANSFORMATION OF THE GROUND VEGETATION BIOMASS UNDER THE INFLUENCE OF FIRES IN THE LIGHT CONIFEROUS PLANTINGS IN NIZHNEE PRIANGARYE
The analysis of ground vegetation biomass structure and its change under the influence of fires of different intensity in the light coniferous plantings in Nizhnee Priangarye is conducted.
It is determined that a significant amount of the combustible materials stock of which varies from 42 to 74 t/hectares has accumulated in the given plantings; it promotes development of both low- intensity, and high-intensity fires. After the fire ground vegetation stocks have decreased up to 16-49 % depending on its intensity. Carbon emission in the process of burning has made up from 4, 48 t/hectares during a fire of low intensity and to 15, 89 t/hectares during a fire of high-intensity.
Key words: ground vegetation, biomass, plantings, combustible materials, fire, carbon emission, forest type, burnout depth, Nizhnee Priangarye.
Введение
В настоящее время в России ежегодно возникают десятки тысяч лесных пожаров, площадь которых достигает миллионы гектаров, глобальное изменение климата может привести к увеличению частоты лесных пожаров, расширению области их распространения, к долгосрочной деградации лесорастительных условий [9]. На сосновые леса приходится до 60 % от общего количества лесных пожаров [10], интенсивность которых широко варьирует в пространстве и во времени. Светлохвойные насаждения составляют до 90 % от площади всех хвойных лесов Нижнего Приангарья [1].
Основным горючим материалом при пожарах в лесном биогеоценозе является вся совокупность органической массы, преимущественно растении и их отмершие части. Биомасса лесного биогеоценоза образует структурный слой из горючих материалов, по которому распространяется горение при пожарах. Полностью органическая масса лесного биогеоценоза при пожарах сгорает крайне редко. От свойств горючих материалов, а также от их количества, структуры и влажности в значительной степени зависит полнота сгорания ор-
* Работа выполнена при поддержке МНТЦ (3695) и NASA.
зз
ганической массы, скорость распространения, интенсивность и другие характеристики горения при лесном пожаре [5]. На формирование горючих материалов влияет целый ряд природных и антропогенных факторов, таких, как условия местопроизрастания, тип леса, увлажненность, периодичность лесных пожаров и другие факторы [5-7].
Целью данного исследования являлось изучение структуры биомассы напочвенного покрова и ее изменений под воздействием пожара, оценка пожарной эмиссии углерода в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья.
Объекты и методы исследования
Исследования проведены в южнотаежных сосняках и лиственничниках, репрезентативных для лесов Нижнего Приангарья, сформированных на дерново-глубокоподзолистых почвах. Экспериментальные участки заложены в бассейне р. Ангары: в левобережной части (58° 35’ с.ш. и 98° 55’ в.д.) - участки 1, 2, 5-9 и правобережной части (58° 42’ с.ш. и 98° 25’ в.д.) - участки 3, 4. Всего было заложено 9 экспериментальных участков площадью 1-4 га каждый, характеристика которых приведена в таблице 1.
Таблица 1
Лесоводственно-таксационная характеристика насаждений на экспериментальных участках
Но- мер уча- стка Тип леса Состав, ярус Д ср, см Н ср, м Пол- нота Бони- тет Подрост, тыс. экз/га
Сосняки
1 Лишайниково- зеленомошный 10С 24 18 0,9 III 72
2 Лишайниково- зеленомошный 10С 26 22 0,7 III 41
3 Ольховниково- бруснично- зеленомошный 10С + Л 32 21 0,6 III 20
4 Разнотравно- зеленомошный 10С + Л ед. Ос 28 22 0,8 III 27
Лиственничники
5 Разнотравно- зеленомошный I5Лц5С II 5Б2П2С1Ос ед. Е, К 26 18 26 18 0,30 0,40 II 26
6 Осочково- зеленомошный I 6Лц3С1П + Б, Ос II 3Е3Б2П1С1Ос + К 30 13 27 16 0,35 0,30 II 22
7 Разнотравно- зеленомошный I5Лц5Б II 3С3Е3П1Б 36 16 26 18 0,40 0,60 III 5,6
8 Разнотравно- зеленомошный I 5Лц4С1Е + Ос II 8С2Лц1Е 36 20 26 20 0,30 0,70 III 6,6
9 Разнотравно- зеленомошный Е Е 1 § ^ 44 22 26 20 0,30 0,50 II 9,2
Сосняк лишайниково-зеленомошный (участки 1-2) занимает плоскую ровную ступень склона, пройден пожаром более 80 лет назад (1922 г.). Поверхность участков с хорошо выраженным микрорельефом. Нанорельеф образован старыми вывалами и небольшим количеством валежа разной степени деструкции. Средний возраст деревьев - 90 лет, средний диаметр - 25 см, средняя высота - 20 м, полнота - 0,8. Подлесок представлен ивой козьей, шиповником и рябиной. В напочвенном покрове преобладает бруснично-зеленомошно-лишайниковая растительность. Проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса зависит от сомкнутости и варьирует от 30 до 80 %, с доминированием брусники, черники и багульника. Моховой покров до 100 %, с преобладанием Pleuroz^um schreberi. Проективное покрытие лишайников - 40 %, с доминированием лишайников разных видов рода Cladon^a rang^fer^na.
Сосняк разнотравно-зеленомошный (участки 3-4) занимает пологий склон, пройден пожаром более 60 лет назад (1948 г.). Поверхность участков ровная, микрорельеф не выражен, нанорельеф образован в основном старыми вывалами и валежом. Средний возраст деревьев составил 100-120 лет, средний диаметр равен 30 см, средняя высота - 22 м, полнота - 0,7. Подлесок густой 0,8-0,9, образует ярус высотой в среднем до 3,5 м, доминируют ольховник, единично рябина, ива козья, жимолость, шиповник, спирея. В травяно-кустарничковом ярусе доминирует мелкотравье. Моховой покров хорошо развит, высота 5-7 см, общее проективное покрытие до 100 %, доминирует Pleuroz^um schreber^. Проективное покрытие лишайников - менее 1 % с преобладанием Cladon^a rang^fer^na.
Лиственничники со значительной примесью сосны разнотравно-зеленомошного типа леса (участки 5-9) занимают нижнюю часть склона, крутизной 3-50, поверхность участков с хорошо выраженным микрорельефом. В первом ярусе доминируют лиственница и сосна, средний возраст которых составляет 140 лет, но отдельные деревья достигают 200-300 лет. Второй ярус представлен темнохвойными и лиственными породами. В его составе пихта, ель, кедр, береза и осина, возраст которых 40-60 лет. Сомкнутость крон первого яруса 0,3-0,5, второго - 0,7-0,9. Подлесок редкий и представлен ивой козьей, шиповником, спиреей, жимолостью, рябиной и можжевельником. Живой напочвенный покров развит хорошо. В травяно-кустарничковом ярусе доминируют таежное мелкотравье и виды лесного разнотравья. Общее проективное покрытие мхов 40-80 %, с доминированием Pleuroz^um schreberi. Последний пожар на территории исследования был в 1953 году.
На каждом из экспериментальных участков была разбита сеть базовых точек, на расстоянии 20-25 м одна от другой, с целью дальнейшей привязки пробных площадок по определению биомассы напочвенного покрова и получения сопоставимых данных по методике Д. Макрея [12]. На базовых точках закладывали пробные линии по 5 м каждая для оценки запаса упавших древесных материалов, представленных ветвями и валежом разной степени деструкции, по методу пересеченных линий, основная идея которого сводится к определению классов диаметра элементов древесных горючих материалов, попавших в вертикальную плоскость пересечения с пробной линией [13;11]. Затем число пересеченных элементов каждого класса диаметра умножалось на соответствующий постоянный коэффициент для получения запаса упавших древесных материалов. Для определения биомассы напочвенного покрова на каждом участке закладывали 25 пробных площадок размером 25x20 см, на которых послойно (2 см) отбирали травы и кустарнички, мхи и лишайники, опад и подстилку [5].
В 2002-2007 годах на участках были проведены эксперименты по моделированию поведения пожара при различных погодных условиях и оценке количества сгоревших лесных горючих материалов. Эксперименты представляли собой контролируемые выжигания, при которых кромка горения распространялась по ветру. Во время экспериментов моделировалось поведение низовых пожаров, которые характерны для светлохвойных насаждений Средней Сибири. Интенсивность пожара определялась исходя из теплотворной способности горючего материала, сгоревшего запаса и скорости распространения кромки огня [8]. Согласно классификации лесных пожаров по интенсивности [2; 12] на экспериментальных участках 2 и 5 развился высокоинтенсивный пожар, 1 и 9 - среднеинтенсивный, 3, 4, 6-8 - низкоинтенсивный.
Биомассу напочвенного покрова определяли до и после выжигания. Оценка количества сгоревшей биомассы проводилась с использованием вешек на прогорание, которые устанавливались в базовых точках.
Величина эмиссии углерода рассчитывалась на основе данных по сгоревшему запасу горючих материалов. Эмиссию измеряли по количеству углерода, перешедшего в атмосферу, на единице площади за единицу времени (т/га*год). Проведенные эксперименты позволяют дать более точные оценки сгорающего вещества, а также оценить допожарное и послепожарное состояние биомассы.
Результаты и обсуждения
В связи с длительным отсутствием пожаров на экспериментальных участках накопилась значительная биомасса напочвенного покрова, которая варьировала от 42 до 74 т/га (табл. 2). Наибольший процент биомассы, как в сосняках, так и в лиственничниках, приходится на подстилку (34-82 %), упавшие ветви и валеж (13-53 %). Доля опада в среднем составляла до 4 %, трав и кустарничков до 1 % от общего запаса на всех экспериментальных участках.
Таблица 2
Биомасса напочвенного покрова на экспериментальных участках, т/га
Номер участ- ка Травы и кустарнички Опад Упавшие древесные материалы Мхи, лишайники и подстилка Всего
Сосняки
1 0,32±0,07 1,59±0,30 5,81±0,51 34,83±2,61 42,55
2 0,55±0,11 1,09±0,18 8,32±0,38 39,30±3,68 49,26
3 0,35±0,05 1,88±0,15 11,92±1,16 29,20±2,49 43,35
4 0,53±0,07 1,81±0,14 11,13±1,30 29,54±1,78 43,01
Лиственничники
5 0,27±0,05 2,25±0,28 33,27±5,38 31,51±1,97 67,30
6 0,26±0,07 2,61±0,38 18,43±5,15 24,19±1,89 45,49
7 0,33±0,05 2,11±0,41 19,47±8,60 21,96±1,74 43,87
8 0,31±0,05 1,39±0,18 22,43±4,87 30,16±3,76 54,29
9 0,33±0,06 1,50±0,21 27,97±10,5 45,15±3,44 74,95
Количество сгоревшей биомассы, рассчитанное по глубине прогорания, как разница между биомассой до и после экспериментальных выжиганий составило от 8,95 до 31,78 т/га (табл. 3). Средняя глубина прогорания варьировала от 0,9 до 6,6 см в зависимости от интенсивности горения. Полностью сгорели мхи, лишайники и опад, упавшие древесные материалы диаметром до 0,5 см и кустарнички. Упавшие ветви более 0,5 см обгорели и перешли в меньшие классы диаметра. Подстилка сгорела лишь частично. Количество сгоревшей биомассы (в % от общего запаса до пожара) составляет в сосняках при пожаре высокой и средней интенсивности до 50 %, при низкой интенсивности - до 42 % (табл. 3). В лиственничниках эти значения ниже: при пожаре высокой интенсивности - 47 %, а средний и низкой всего лишь от 16 до 23 %, при этом не учитывалось количество сгоревшей хвои и веточек деревьев.
Таблица 3
Количество сгоревшей биомассы при экспериментальных пожарах
Номер участка Интенсивность пожара Глубина прогорания, см Всего сгоревшей биомассы
т/га % *
Сосняки
1 Средняя 5,6 20,96 49
2 Высокая 6,6 22,33 45
3 Низкая 3,3 17,88 41
4 Низкая 3,0 18,20 42
Лиственничники
5 Высокая 4.2 31,78 47
6 Низкая 0.9 9,19 20
7 Низкая 1.7 10,50 23
8 Низкая 2.1 8,95 16
9 Средняя 2.9 12,51 16
* % от общей биомассы до пожара.
Глубина прогорания напочвенных горючих материалов существенно различается для сосновых и лиственничных насаждений разных типов леса, что объясняется разнообразием структуры и вида растительных горючих материалов и скорости их высыхания в зависимости от типа леса.
Сгорающая при пожаре биомасса является источником тепла, а также предопределяет последствия пожара. Выделяемое количество тепла напрямую связано с количеством сгоревшей биомассы, чем больше ее сгорает, тем значительнее тепловое воздействие на деревья, растительность и почву. Кроме того, количество сгорающей биомассы воздействует на параметры баланса углерода [4].
Эмиссия углерода при сгорании биомассы напочвенного покрова составила от 11,17 до 15,89 т/га при пожаре высокой интенсивности, 6,26-10,48 т/га при среднеинтенсивном и от 4,48 до 9,10 т/га при низкоинтенсивном пожаре (табл. 4). Основной вклад в эмиссию углерода происходит при сгорании мхов, лишайников и подстилки, а также упавшего древесного материала. Величина эмиссии углерода, при пожаре в исследуемых южнотаежных светлохвойных насаждениях, при низкоинтенсивном пожаре (менее 2000 кВт/м) в среднем превышает эмиссию в среднетаежных сосняках Средней Сибири на 25 %, где она составила - 4,80 т/га. При высокоинтенсивных низовых пожарах (более 4000 кВт/м) эмиссия достигла в среднем 13,53 т/га, что на 12 % меньше, чем в среднетаежном сосняке (15,40 т/га) [3].
Таблица 4
Эмиссия углерода при сгорании напочвенного покрова в светлохвойных насаждениях, т/га
Номер Интенсивность Травы Опад Упавшие Мхи, лишайники Всего
участка пожара и кустарнички древесные ГМ и подстилка
Сосняки
1 Средняя 0,16 0,80 0,91 8,61 10,48
2 Высокая 0,28 0,55 1,11 9,23 11,17
3 Низкая 0,18 0,94 1,87 5,95 8,94
4 Низкая 0,27 0,91 2,74 5,18 9,10
Лиственничники
5 Высокая 0,13 1,12 7,74 6,90 15,89
6 Низкая 0,13 1,31 1,15 2,01 4,60
7 Низкая 0,16 1,05 1,32 2,72 5,25
8 Низкая 0,16 0,70 1,45 2,17 4,48
9 Средняя 0,17 0,75 1,11 4,23 6,26
Выявлена тесная зависимость между величиной эмиссии углерода при пожарах в светлохвойных лесах и условиями погоды (показатель ПВ-1) (рис.). ПВ-1 - показатель влажности, рассчитываемый по формуле ПВ1 = ^ (-т)*к, где 1 - температура (°С) на 1300, т - температура точки росы (°С) и к - коэффициент учета осадков.
Коэффициенты корреляции для сосняков - 0,71, для лиственничников - 0,85.
у = 0,002х - 5,9 Я2 = 0,72
8000 10000
Зависимость эмиссии углерода при лесных пожарах от погодных условий (показатель ПВ-1) в сосновых
и лиственничных насаждениях Средней Сибири
Заключение
В результате проведенных исследований установлено, что на экспериментальных участках накопилось значительное количество биомассы - от 42 до 74 т/га. После пожара запасы напочвенного покрова снизились на 16-49% в зависимости от его интенсивности. Было выявлено, что полнота сгорания биомассы в
светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья определяется интенсивностью пожара. Эмиссия углерода составила от 4,48 т/га при пожаре низкой интенсивности до 15,89 т/га при высокоинтенсивных пожарах.
Литература
1. Леса Красноярского края / А.Б. Жуков [и др.] // Леса СССР. - М.: Наука, 1969. - С. 248-320.
2. Иванова Г.А. Зонально-экологические особенности лесных пожаров в сосняках Средней Сибири: ав-тореф. дис. ... д-ра биол. наук. - Красноярск: Изд-во Института леса СО РАН, 2005. - 40 с.
3. Влияние пожаров на эмиссии углерода в сосновых лесах Средней Сибири / Г.А. Иванова [и др.] // Сиб. экол. журн. - 2007. - №6. - С. 885-895.
4. Кукавская Е.А., Иванова Г.А. Воздействие лесных пожаров на биомассу сосновых насаждений Средней Сибири // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2006. - С. 156-162.
5. Курбатский Н.П. Исследование количества и свойств лесных горючих материалов // Вопросы лесной пирологии. - Красноярск, 1970. - C. 5-58.
6. Курбатский Н.П. Техника и тактика тушения лесных пожаров. - М.: Гослесбумиздат, 1962. - 155 с.
7. Мелехов И.С. Природа леса и лесные пожары. - Архангельск: ОГИЗ, 1947. - 60 с.
8. Byram G.M. Forest fire control and use. - New York, Toronto, London, McGrow-Hill Book Co, 1959. - Р. 61-89.
9. Kasischke E.S., Christensen N.L., Stocks B.J. Fire, global warming, and the carbon balance of boreal forests // Ecological Applications. - 1995. - 5(2). - P. 437-451.
10. Korovin G.N. Analysis of the Distribution of Forest Fires in Russia // Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia. Dordrecht. - London: Kluwer Academic Publishers, 1996. - P. 112-128.
11. McRae D.J., Alexander M.E., Stocks B.J. Measurement and description of fuels and fire behavior on prescribed burns: a hand-book // Rep. O-X-287. - Sault Ste. Marie, Ontario: Environ. Can., Can. For. Serv.,
Great Lakes For. Res. Cent. - 1979. - 44 p.
12. Variability of Fire Behavior Fire Effects and Emissions in Scotch Pine Forests of Central Siberia / D.J. McRae [et al] // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Cnange. - 2006. - Vol. 11. - №1. - Р. 45-74.
13. Van Wagner C.E. The line intersect method in forest fuel sampling // Forest Science. - 1968. - № 1. - P. 20-26.
---------♦'----------
