Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Трансформация фитомассы в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья под воздействием пожаров

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Трансформация фитомассы в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья под воздействием пожаров"

На правах рукописи

ЖИЛА Сергей Викторович

ТРАНСФОРМАЦИЯ ФИТОМАССЫ В СВЕТЛОХВОЙНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ НИЖНЕГО ПРИАНГАРЬЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ

ПОЖАРОВ

Специальность 06.03.02 - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная

таксация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1

13

и

Красноярск - 2013

005061741

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, старший научный сотрудник

Иванова Галина Александровна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Кузьмичев Валерий Васильевич, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник лаборатории мониторинга леса

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Вайс Андрей Андреевич

ФБГОУ ВПО « Сибирский государственный технологический университет», доцент кафедры лесной таксации, лесоустройства и геодезии

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образователь-

ное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный лесотехнический университет»

Защита состоится « 26 » июня 2013 года в 14 часов в конференц-зале Института леса

им. В.Н. Сукачева СО РАН на заседании диссертационного совета Д 003.056.01 в

Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте леса

им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 660036,

Красноярск, Академгородок, д. 50, стр. 28.

Факс:(391)243-36-86;

E-mail: institute forest@ksc.krasn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук

Автореферат разослан «24» мая 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор

Е.Н. Муратова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Бореальные леса содержат огромные запасы углерода в виде фитомассы живых растений, их остатков разной степени деструкции, гумуса и торфов. Проблемы глобальных экологических изменений нельзя удовлетворительно решать без оценки роли бореальных лесов в поглощении атмосферного углерода и продолжительности его удержания в лесных экосистемах (Швиденко, 2003; Vaganov, Shvidenko, 2002; Исаев и др., 1993; Mori et al., 1998). Установлено, что бореальные экосистемы являются стоком углерода (Кобак, 1988; Плешиков и др., 2002; Ваганов и др., 2005).

Значительный вклад в углеродный цикл вносят лесные пожары, влияние которых изменяет экологические функции экосистем (Фуряев, 2002). 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, и, как следствие, к долгосрочной деградации лесорастительных условий (Kasischke et al., 1995; Conard, Ivanova, 1997). Лесные пожары являются источником как прямой, так и послепожарной эмиссии углерода, в процессе разложения поврежденной пожаром растительности (Софронов, Волокитина, 1998).

Вопросам оценки фитомассы и баланса углерода в лесных экосистемах уделено значительное внимание (Кобак, 1988; Исаев и др., 1993; Уткин и др., 1997; Hamburg et al., 1997; Плешиков и др., 2002, Швиденко и др., 2000, 2003; Усольцев, Залесов, 2005; Тулохонов и др., 2006). В тоже время полученные данные по эмиссии углерода при лесных пожарах являются, главным образом, экспертными оценками (Конард, Иванова, 1998; Ваганов и др., 2005). Экспериментальные работы по определению воздействия пожаров на параметры баланса углерода и эмиссию углерода довольно редки (McRae et al., 2006; Ivanova et al., 2011; Кукавская, Иванова, 2006). В связи с этим оценка воздействия пожаров на фитомассу и составляющие баланса углерода в лесных экосистемах в настоящее время остается актуальной.

Цель диссертационной работы: оценка трансформации фитомассы южнотаёжных сосняков и лиственничников зеленомошных в условиях Нижнего Приангарья под воздействием лесных пожаров разной интенсивности.

Основные задачи исследования

1. Оценка трансформации фитомассы под воздействием пожаров разной интенсивности в сосняках и лиственничниках зеленомошных Нижнего Приангарья.

2. Исследование динамики накопления фитомассы в зависимости от интенсивности и давности пирогенного воздействия.

3. Оценка воздействия пожаров на составляющие баланса углерода в южнотаежных сосняках и лиственничниках.

Научная новизна. Впервые экспериментально определена степень трансформации фитомассы и эмиссия углерода при воздействии низовых пожаров разной интенсивности в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья. Определена связь величины эмиссии углерода с интенсивностью горения на кромке пожара и погодными условиями. Получены данные по послепожарному накоплению наземной фитомассы в сосняках и лиственничниках зеленомошной группы типов леса в зависимости от интенсивности пожара.

Практическая значимость. Полученные результаты исследований могут быть использованы для прогнозирования эмиссии углерода при пожарах в зависимости от метеоусловий, типа леса, а также для оценки трансформации фитомассы под воздействием пожаров разной интенсивности в светлохвойных насаждениях зеленомошной группы типов леса. Кроме того, полученные данные могут быть

применены для оценки воздействия лесных пожаров на баланс углерода в лесных экосистемах и определения их статуса, а также для оценки ущерба при лесных пожарах разной интенсивности.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и является частью комплексных исследований, проведенных в рамках российско-американских соглашений № 05-04-476 и 10-05-043 '"Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири" (2000-2011 гг.), гранта РФФИ 07-04-00562 (2007-2009 гг.) и проекта МНТЦ № 3695 (2008-2011 гг.). В период с 2008 по 2012 гг. в составе комплексного экспедиционного отряда автором проводился сбор полевого материала, а также статистическая и графическая обработка данных по оценке фитомассы, возобновления и отпада деревьев. Автор принимал непосредственное участие в полевых экспериментах 2009-2011 гг. по моделированию воздействия пожаров на фитомассу и послепожарную эмиссию углерода.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде научных докладов лично автором и в соавторстве на Межрегиональной научно-практической конференции "Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края" (Красноярск, 2009), Всероссийской научно-практической конференции с участием иностранных ученых '"Эколого-географические аспекты лесообразовательного процесса" (Красноярск, 2009), Международной конференции "Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде" (Красноярск, 2009), Всероссийской научно-практической конференции посвященной 80-летию СибГТУ "Молодые ученые в решении актуальных проблем науки" (Красноярск, 2010), Международной конференции "Дистанционные методы зондирования земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология" (Новосибирск, 2010, 2012), Международной конференции "VI International Conference on Forest Fire Research" (Portugal, 2010), Международном симпозиуме EGU-2011 (Vena, Austria, 2011), Международной конференции "International Conference on Fire Behaviour and Risk Modeling" (Alghero, Italy, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе две статьи в рецензируемых журналах (по списку ВАК).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы, приложения. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 41 таблицу и список используемой литературы, состоящий из 216 источников, в том числе 73 на английском языке.

Благодарности. Автор выражает признательность научному руководителю д-ру биол. наук, в.н.с. Г.А. Ивановой за научное руководство и организацию исследований при выполнении диссертационной работы и канд. биол. наук, н.с. Е.А. Кукавской за помощь при проведении полевых работ и обработке материалов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1 Состояние вопроса

Бореальные леса являются основной стабилизирующей частью биосферы, выполняющие климатообразующую, водоохранную, почвозащитную и другие функции (Швиденко, 2003; Vaganov, Shvidenko, 2002). В бореальных лесах содержатся большие

запасы углерода, превышающие по объему другие типы леса (559 Гт С), на них приходится более 22 % всей земной растительности и почвы (Watson et al., 2000; McGuire et al., 2006). Лиственничные леса Средней Сибири также играют важную роль в глобальном круговороте углерода, являясь резервуарами его стока, и по прогнозам могут быть подвержены влиянию изменения климата (Mori et al., 1998). По данным Э.Ф. Ведровой с соавторами (2002) суммарная аккумуляция углерода в бореальных лесах Енисейского трансекта составляет 14470 млн.т (140 тС/га лесопокрытой территории), при этом 62 % сосредоточено в гумусе верхней толщи почв и 9 % - в мертвых растительных остатках на поверхности и в толще почвы.

Лесные пожары - важный экологический фактор, оказывающий мощное воздействие на лесные экосистемы, их биологическое разнообразие и устойчивость (Kasischke et al., 1995; Фуряев, 1996; Иванова, Перевозникова, 1996; Абаимов и др., 2001; Le Goff et al., 2008). На возникновение пожаров в лесу влияет ряд факторов, таких как погода и климат (Johnson, 1992; Swetnam, 1993; Flannigan et al., 2001), состав и структура растительности (Nash, Johnson, 1996; Hely et al., 2000), антропогенная деятельность (Lefort et al., 2003; Wotton et al., 2003; DeWilde, Chapin, 2006) и топографические особенности (Kasischke et al., 2002; Cyr et al., 2007). Изменение климата может привести к увеличению продолжительности пожароопасных сезонов (Wotton, Flannigan, 1993; Chapman, Walsh, 1993; Serreze et al., 2000; Serreze, Francis, 2006; McGuire . et al., 2006) и возникновению катастрофических пожаров (Colombo et al., 1998; Parker et al., 2000; Tymstra et al., 2007).

Основными горючими материалами при пожарах в лесном биогеоценозе является вся совокупность органической массы, преимущественно растения и их отмершие части (Курбатский, 1970). На формирование, которых влияет целый ряд природных и антропогенных факторов, таких как условия местопроизрастания, тип леса, увлажненность, периодичность лесных пожаров и другие факторы (Мелехов, 1947; Курбатский, 1970, 1962; Курбатский, Иванова, 1987; Софронов, Волокитина, 1990).

По данным E.S. Kasischke (1995) пожары в значительной степени влияют на круговорот и накопление углерода в бореальных лесах. Они играют ключевую роль в динамике растительности, гидрологии и составе атмосферы (Innés, 2000). Последствия пожаров приводят к изменению циклов углерода экосистемы, а также к большому сдвигу соотношений между резервуарами углерода и углеродными источниками (Kasischke et al., 1995; Stocks et al., 1998; Flannigan et al., 2005; Running, 2008). Работы по оценке воздействия пожаров на фитомассу и баланс углерода немногочисленны (McRaeet al., 2006; Ivanova et al., 2011; Кукавская, Иванова, 2006), поэтому исследования трансформации фитомассы под воздействием пожаров разной интенсивности актуальны в настоящее время.

Глава 2 Объекты и методика исследования

2.1 Рельеф, почвы и климат района исследований

При описании лесорастительных условий района исследований использованы работы А.Б. Жукова (Жуков и др., 1969), В.Н. Горбачева (1967), H.H. Галахова (1964), Л.В. Шумиловой (1962).

По геоморфологическому районированию Нижнее Приангарье относится к Приангарскому понижению Енисейского кряжа. Согласно лесорастительному районированию район исследований отнесен к Ангарской провинции сосновых лесов (леса Красноярского Приангарья) (Жуков и др., 1969).

Рельеф представлен плоскими и пологохолмистыми плато с реликтами неогеновой аллювиальной равнины, характеризуется значительной расчлененностью с колебаниями отметок от 100 до 450 м. Среди почвообразующих пород Приангарского понижения широко распространены рыхлые отложения — желто-бурые, бурые и коричнево-бурые глины и суглинки, красноцветные карбонатные глины и суглинки. Часто встречаются лёссовидные суглинки, пески и супеси (Горбачев, 1967). Климат района резко континентальный. Это проявляется в больших величинах годовых амплитуд температуры воздуха. В течение года выпадает 320-380 мм осадков (Жуков и др., 1969).

2.2 Характеристика экспериментальных участков

Исследования проведены в сосняках и лиственничниках, репрезентативных для лесов Нижнего Приангарья. Экспериментальные участки, площадью 1-4 га каждый, были заложены в бассейне р. Ангары. Насаждения на участках в сосняках (участки № 1-4) относятся к зеленомошной группе типов леса. Древостой ЮС одновозрастные (90 лет), средний диаметр 24-32 см, средняя высота 18-22 м. Относительная полнота насаждений 0,6-0,9. Экспериментальные участки неоднократно пройдены низовыми пожарами. Подлесок или отсутствовал, или встречался единично и был представлен спиреей и шиповником. Количество подроста от 20,4 до 40,2 тыс. шт./га. Почва на экспериментальных участках сосняков - иллювиально-железистый песчаный подзол.

Лиственничные разнотравно-зеленомошные насаждения (участки № 5-10) являются сложными по структуре и составу, разновозрастные со II ярусом из темнохвойных пород. Первый ярус древостоя представлен лиственницей и сосной (140 лет), средний диаметр 26-44 см, средняя высота 26-27 м. Второй ярус представлен деревьями хвойных и лиственных пород (лиственница, сосна, пихта, ель, кедр, береза, осина), средний диаметр 16-22 см, средняя высота 16-20 м. Относительная полнота насаждений 0,7-1,0 с достаточно густым подростом и подлеском под пологом. Подлесок представлен ивой, спиреей и шиповником. Количество подроста от 7,3 до 20,8 тыс. шт./га. Почвы на экспериментальных участках лиственничников - бурозем темный остаточно-карбонатный выщелоченный маломощный слабогумусированный глинистый на элювиально-делювиальной красноцветной мергелистой глине.

2.3 Методика исследований

На каждом экспериментальном участке была разбита сеть базовых точек на расстоянии 20 м с целью дальнейшей привязки пробных площадок и получения сопоставимых данных. Для оценки структуры и запаса живого напочвенного покрова, опада и подстилки на экспериментальных участках применяли методики Н.П. Курбатского (1970) и D.J. McRae et al. (1979). На каждом участке закладывали не менее 25 площадок размером 25x20 см. Лишайники, мхи и подстилку отбирали по 2-сантиметровым слоям. На каждой площадке измеряли толщину слоя мхов, лишайников, опада и подстилки, что позволило по глубине прогорания определить величину сгоревшей биомассы.

Образцы живого напочвенного покрова, опада и подстилки на экспериментальных участках отбирали до пожаров и ежегодно после с целью мониторинга. Всего за время исследований было отобрано около 4000 образцов живого напочвенного покрова, опада и подстилки.

Запас упавших ветвей и валежа определяли методом пересеченных линий (Van Wagner, 1968; McRae et al., 1979) до пожара и ежегодно после. Всего за время исследований было заложено около тысячи 5-метровых трансектов для оценки запаса упавших ветвей и валежа.

Фитомассу древостоя оценивали методом перечислительной таксации с взятием модельных деревьев по ступеням толщины. В работе были использованы данные В.А. Усольцева (2007) для оценки фитомассы березы и осины, взяты модельные деревья подроста и подлеска. Всего было отобрано 50 модельных деревьев, 85 подроста и подлеска.

В 2002-2007 гг. в рамках российско-американского проекта на исследуемых участках учеными из Института леса СО РАН, лесных служб США и Канады были проведены эксперименты по моделированию поведения пожаров разной интенсивности. Эксперименты представляли собой контролируемые выжигания, при которых кромка горения распространялась по ветру от одной из сторон участка. Всего было проведено 10 крупномасштабных экспериментов (1-4 га), при которых использовали методики измерения параметров горения (Blank, Simard, 1983; McRaeetal., 1979). Кроме того, в 2008-2010 гг. была проведена серия из 16 экспериментов в сосняках на участках размером 100 м2.

Для характеристики условий среды использован показатель пожарной опасности по условиям погоды ПВ-1, принятый в лесопожарной практике и рассчитываемый с учетом температуры воздуха и количества осадков.

Для количественной оценки естественного возобновления и определения жизненного состояния популяций подроста использованы методики A.B. Побединского (1966) и В.А. Алексеева (1989). Оценка отпада деревьев проводилась по методике, основанной на методе квадратов (Cottam and Curtis, 1956). На каждом участке отбиралось не менее 100 деревьев и оценивалось их состояние до и после пожаров.

Глава 3 Фитомасса светлохвойных насаждений зеленомошной группы типов леса Нижнего Приангарья

Фитомасса лесного биогеоценоза образует структурный слой, по которому распространяется горение при пожарах. Полностью органическая масса лесного биогеоценоза при пожарах сгорает крайне редко (Курбатский, 1970). Фитомассу светлохвойных насаждений Нижнего Приангарья мы учитывали отдельно по компонентам биогеоценоза, т.е. для древостоя, подроста, напочвенного покрова.

3.1 Фитомасса древостоя сосняков и лиственничников

Общая фитомасса живых деревьев в сосняках (участки № 1-4) составила от 123 до 171 т/га, в лиственничниках (участки № 5-10) от 93 до 126 т/га (таблица 3.1). На ствол в среднем приходится 65-89 % от общей фитомассы, живые ветви - до 22 %, хвою и листву - 4-10 %. Доля фитомассы пихты, ели, кедра в лиственничниках варьировала от 2,5 до 25 % от общей фитомассы. Полученные данные сопоставимы со значениями, ранее приведенными для насаждений южной тайги Средней Сибири (Алексеев, Бердси, 1994; Усольцев, 2007).

Наибольшее количество сухостоя в сосняках приходится на деревья диаметром 820 см, а в лиственничниках - на 16-32 см. Общая масса сухих деревьев в сосняках составила 3,15-8,19 т/га, а в лиственничниках-4,99-11,41 т/га.

Таблица 3.1

Структура фитомассы древостоя на экспериментальных участках, т/га

Номер участка Живые деревья Итого Сухостой

хвоя (листва) шишки живые ветки сухие ветки ствол

Сосняки

1 5,43 0,42 20,82 5,77 96,57 129,00 8,19

2 6,26 1,90 13,95 1,86 101,18 125,15 3,15

3 10,52 1,10 24,21 9,37 126,00 171,20 6,23

4 12,61 0,40 27,36 1,82 81,38 123,57 4,21

Лиственничники

5 12,88 0,41 27,94 1,86 83,11 126,19 4,99

6 3,95 0,30 15,14 4,19 70,21 93,79 6,03

7 4,26 0,95 5,41 0,48 89,86 100,95 7,31

8 6,21 1,86 13,85 1,86 100,46 124,24 11,41

9 11,62 0,37 25,19 1,68 74,95 113,80 7,60

10 6,42 0,62 14,16 5,29 73,83 100,32 7,21

Выявлена тесная зависимость общей фитомассы отдельных деревьев от диаметра на высоте 1,3 м у рассматриваемых пород, которая хорошо описывается степенной функцией (рисунок 3.1).

а)

б)

в)

и X 600

я 500

и (3 400

г о 300

н 200

в 100

0

8 12 16 20 24 28 32 36 40 Диаметр, см

у=0,1327х№" ^ = 0,98

4 8 12 16 Диаметр, см

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Диаметр, см

у = 0,1512х"ш И1 = 0,98

12 16 Диаметр, см

Рисунок 3.1 - Зависимость общей фитомассы модельных деревьев различных пород от диаметра на высоте 1,3 м (а - сосна, б - лиственница, в - ель, г - пихта)

3.2 Фитомасса подроста и подлеска Фитомасса подроста на экспериментальных участках составляет от 1,03 до 1,67 т/га в сосновых насаждениях и от 3,60 до 11,89 т/га в лиственничных насаждениях. Известно, что наличие'крупномерного подроста в хвойных насаждениях способствует переходу низовых пожаров в верховые (Мелехов, 1947; Курбатский, 1962).

Фитомасса подлеска на экспериментальных участках варьировала от 0,57 до 2,69 т/га.

3.3 Запас живого напочвенного покрова, опада, валежа и подстилки в сосняках и лиственничниках

В связи с длительным отсутствием пожаров (более 50 лет) на экспериментальных участках накопился большой запас мхов, лишайников, опада, валежа и подстилки, который в сосняках составил от 42,56 до 49,46 т/га, в лиственничниках - от- 48,66 до 65,03 т/га (таблица 3.2).

Доля трав и кустарничков в напочвенном покрове составляет до 1 % от его общей массы. Фитомасса трав и кустарничков в сосняках составила от 0,32 до 0,55 т/га, в лиственничниках данный показатель варьировал от 0,27 до 0,35 т/га. Варьирование запасов на участках в значительной степени определяется мозаичностью живого напочвенного покрова.

Масса опада на экспериментальных участках не превышала 5,32 т/га в сосняках и 2,86 т/га в лиственничниках. В сосняках доля хвои в опаде составляла 34-50 %, коры -16-34 %, шишек - 22-31 %, ветоши трав и кустарничков - 2-5 %. В лиственничных насаждениях данный показатель составил для хвои 37-57 %, листьев - 9-22 %, коры - 914 %, шишек - 16-26 %, ветоши трав - 3-7 %.

Таблица 3.2

Запас напочвенного покрова в светлохвойных насаждениях Нижнего _Приангарья, т/га___

Участок Травы и кустарнички Опад Ветки и валёж Мхи и лишайники Подстилка Всего

Сосняки

1 0,32±0,07 1,60±0,30 5,81±0,13 6,97±2,05 27,86±2,61 42,56

2 0,56±0,11 1,10±0,18 8,31±0,25 11,8±3,10 27,51±3,67 49,28

3 0,36±0,05 5,32±0,59 23,5±8,68 3,01 ±0,42 17,08±1,69 49,27

4 0,55±0,05 4,б4±0,18 16,9±4,14 7,39±1,12 19,98±2,77 49,46

Лиственичники

5 0,27±0,04 2,51 ±0,31 18,80±5,22 11,70±2,50 27,19±3,54 60,43

6 0,27±0,05 2,25±0,28 31,00±5,56 9,14±1,45 22,37±2,17 65,03

7 0,27±0,04 2,86±0,28 20,70±4,69 3,72±0,62 21,11±1,43 48,66

8 0,35±0,05 2,65±0,59 28,50±8,68 3,98±0,78 18,11±1,69 53,59

9 0,32±0,05 2,60±0,18 19,90±4,14 7,59±1,35 22,78±2,77 53,19

10 0,3 5±0,05 1,50±0,18 27,90±9,94 13,70±3,10 15,24±4,42 58,69

Наибольший запас (до 78 %) упавших древесных материалов, как в сосняках, так и в лиственничниках, приходится на валеж и ветви разной степени деструкции диаметром более 7 см. Из древесных элементов диаметром до 7 см преобладают веточки размером от 1,0 до 2,9 см, составляющие в среднем 7-11 % от общего их запаса.

Лиственничники Нижнего Приангарья характеризуются большей массой горючего материала на поверхности почвы по сравнению с сосняками (более 23 %) (таблица 3.2), с преобладанием подстилки, упавших ветви и валеж разной степени деструкции, как в сосняках (рисунок 3.2).

Участки

ü подстилка к ветви н валёж ® опад й мхи н лишайники - гравы и кустарнички

Рисунок 3.2 - Структура запаса напочвенного покрова в сосняках (участок № 1-4) и лиственничниках (участок № 5-10)

3.4 Общая надземная фнтомасса насаждений на экспериментальных участках

Общая надземная фитомасса на экспериментальных участках составила в сосняках от 172 до 221 т/га, в лиственничниках - от 160 до 198 т/га. В сосняках на долю древостоя приходится более 70 % общей надземной массы, напочвенные горючие материалы составили в среднем около 30 %, доля подроста не превышала 1 %. В лиственничниках фитомасса древостоя составила более 50 % общей массы, напочвенные горючие материалы - более 30 %, подрост - 7 %, а подлесок - 2 % (рисунок 3.3).

7 2

«древостой н жнп, опад, ветви и валеж, подстилка подрост «ь подлесок

Рисунок 3.3 - Структура надземной фитомассы в лиственничнике зеленомошном, %

Глава 4 Трансформация надземной фитомассы сосняков и лиственничников при пожарах разной интенсивности

В 2002-2007 гг. на исследуемых участках были проведены эксперименты по моделированию поведения низовых пожаров, которые характерны для светлохвойных насаждений Средней Сибири. Основной целью экспериментов являлось изучение воздействия лесных пожаров на компоненты экосистемы. Данные по экспериментам использованы для характеристики воздействия пожаров на фитомассу насаждений.

4.1 Условия проведения экспериментов по моделированию поведения

пожаров

Эксперименты по моделированию поведения пожаров были проведены при разных погодных условиях и при различной влажности лесных горючих материалов. Показатель пожарной опасности по условиям погоды ПВ-1 составлял от 930 до 9204 единиц (таблица 4.1).

4.2 Характеристика поведения пожаров на экспериментальных участках

Экспериментальные пожары в большинстве случаев были низовыми, которые репрезентативны для светлохвойных лесов Средней Сибири. При высокоинтенсивных пожарах на участках № 2 и № 6 наблюдался переход огня в кроны деревьев. На участках № 3-4 пожар носил устойчивый характер распространения. Скорость распространения низовых пожаров в сосняках и лиственничниках варьировала в диапазоне от 0,7 до 7,3 м/мин (таблица 4.1). При переходе огня в кроны, под воздействием ветра, пожар распространялся значительно быстрее. Интенсивность кромки составила от 868 кВт/м у низкоинтенсивного низового пожара в сосняке ольховниково-бруснично-зеленомошном до 4876 кВт/м у пожара высокой интенсивности в сосняке лишайниково-зеленомошном (МсЯае е! а1., 2013).

Средняя глубина прогорания варьировала от 0,9 до 6,6 см в зависимости от интенсивности горения. Глубина прогорания напочвенного покрова существенно различалась для сосновых и лиственничных насаждений, что объясняется разнообразием напочвенного покрова и скоростью его высыхания в зависимости от типа леса.

Таблица 4.1

Параметры поведения пожаров на экспериментальных участках_

№ участка ПВ-1 Интенсивность пожара, (кВт/м)* Скорость распространения, м/мин* Глубина прогорания, см

Сосняки

1 930 Средняя (3195) 3,0-5,9 5,6 ±0,20

2 1396 Высокая (4876) 7,3 6,6 ±0,25

3 1734 Низкая (868) 0,7 3,3 ±0,20

4 2013 Низкая (924) 3,5 3,0 ± 0,18

Лиственничники

5 1602 Низкая (1500) 1,0-2,9 0,5 ±0,1

6 9204 Высокая (4190) 6,0 4,2 ± 0,22

7 4052 Низкая (1800) 1,0-2,9 0,9 ±0,2

8 5887 Низкая (1753) 1,0-2,9 1,7 ±0,1

9 6545 Низкая (1300) 1,0-2,9 2,1 ±0,1

10 4028 Средняя (2700) 3,0-5,9 2,9 ±0,2

Примечание: * Интенсивность пожара и скорость распространения приведены по данным 0.1 Мс11аее1а1. (2006; 2013).

При высокоинтенсивных пожарах в сосняках (участок № 2) и лиственничниках (участок № 6) на экспериментальных участках полностью сгорели: опад, лишайники и мхи, ветви и валёж диаметром до 0,5 см, а также травы и кустарнички. Подстилка сгорела лишь частично.

На остальных участках при пожарах средней и низкой интенсивности наблюдалось мозаичное сгорание напочвенного покрова.

4.3 Оценка количества сгоревшей массы

Количество сгоревшей массы варьировало от 8,96 до 31,78 т/га в зависимости от интенсивности горения (таблица 4.2). В процентах от общего запаса до пожара количество сгоревшей массы составляло в сосняках при пожаре высокой интенсивности до 49 %, при низкой - до 42 %. В лиственничниках эти значения ниже: при пожаре высокой интенсивности - 47 %, а средней и низкой от 16 до 23 %.

Таблица 4.2

Количество сгоревшей массы, т/га__

№ участка Травы и кустарнички Опад Ветви и валёж Мхи, лишайники и подстилка Всего

т/га %

Сосняки

1 0,32 1,60 1,82 17,22 20,96 49

2 0,56 1,10 2,22 18,46 22,34 45

3 0,36 1,88 3,74 11,90 17,88 41

4 0,54 1,82 6,48 10,36 19,20 42

Лиственничники

5 0,22 1,20 1,88 3,98 7,28 12

6 0,26 2,24 15,48 13,80 31,78 47

7 0,26 2,62 2,30 4,02 9,20 20

8 0,32 2,10 2,64 5,44 10,50 23

9 0,32 1,40 2,90 4,34 8,96 16

10 0,34 1,50 2,22 8,46 12,52 16

4.4 Оценка эмиссии углерода при лесных пожарах Эмиссия углерода при сгорании напочвенного покрова составила от 11,17 до 15,89 т/га при пожаре высокой интенсивности, от 6,26 до 10,48 т/га - при средней, от 3,64 до 9,10 т/га - при низкой. Основной вклад в эмиссию углерода происходит при сгорании мхов, лишайников и подстилки, а также ветвей и валежа. Эмиссия углерода составила от 3,64 т/га при пожаре низкой интенсивности, до 15,89 т/га при высокой в лиственничниках, и от 8,94 до 11,17 соответственно, в сосняках, что сопоставимо с эмиссией в средиетаежных сосняках - 15,40 т/га (Иванова, 2005; Кукавская, Иванова, 2006).

Выявлена зависимость между величиной эмиссии углерода при пожарах в сосняках и лиственничниках и условиями погоды (показатель ПВ-1) (рисунок 4.1). Коэффициент корреляции 0,64 в сосняках и 0,78 в лиственничниках.

а)

б)

у - 0.0009Х + 7.0867 К1 - 0.41

2000 4000

гт-1

16 14 12 У 10

V = О.ООЫх- 0.5018 Я1-0,61

2000 4000 6000 8000 10000 ПВ-1

Рисунок 4.1 - Зависимость эмиссии углерода при пожарах от погодных условий в сосняках (а) и лиственничниках (б)

Глава 5 Послепожарные изменения фитомассы в сосняках и лиственничниках зеленомошных Нижнего Приангарья

Лесные пожары воздействуют на все компоненты биогеоценоза как непосредственно при горении, так и опосредованно в последующие годы. Мы провели мониторинг за воздействием пожаров на фитомассу сосняков и лиственничников на экспериментальных участках в последующие годы после пирогенного воздействия.

5.1 Изменение фитомассы древостоя, подроста и подлеска под воздействием

пожара

Характер и степень повреждения древостоев пожарами определяется рядом неравнозначных по своему значению факторов: вид пожара, тип леса, породный состав, возраст и полнота ■ насаждений, погодные условия (Мелехов, 1948; Фуряев, Киреев, 1979; Санников, 1973; Войнов, Софронов, 1976; Софронов, Волокитина, 1990).

Отпад деревьев в сосняках и лиственничниках оценивался до пожаров и в течение пяти лет после их воздействия. Естественный отпад деревьев до пожара в сосняках и лиственничниках составлял от 2 до 15 % от их общего числа. После воздействия пожаров отпад деревьев варьировал от 5 до 62 % в сосняках и от 8 до 49 % в лиственничниках. Выявлена связь между интенсивностью горения и величиной отпада (рисунок 5.1), коэффициент корреляции 0,93.

На первые два-три года после пожаров приходится основной отпад деревьев (90 %), как в сосняках, так и в лиственничниках. Спустя три года после пожара высокой интенсивности в сосновых насаждениях отпад составил 62 %, а после средней и низкой - 22 и 17 %, соответственно, от общего числа деревьев.

В лиственничных насаждениях после пожара высокой интенсивности отпад деревьев первого яруса составил 49 %. После пожаров средней и низкой интенсивности отпад достигал 35 и 20 %, соответственно. Отпад деревьев второго яруса в

лиственничниках варьировал от 18 до 34 % при низкоинтенсивном, до 62 % при среднеинтенсивном и до 100 % при высокоинтенсивном пожаре.

100 -і

80 -

3 60 -

^ 40 -

20 -

0 -0

» сосняки ♦ лиственничники

Рисунок 5.1 - Отпад деревьев в светлохвойных насаждениях (% от общего числа деревьев) в зависимости от интенсивности кромки пожара

Фитомасса живых деревьев в сосняках после пожаров снизилась на 16-62 %, а в лиственничниках на 15-50 % в зависимости от интенсивности пожаров (таблица 5.1).

Таблица 5.1

Изменение фитомассы древостоев светлохвойных насаждений Нижнего __Приангарья, т/га_

Номер участка До пожара Время после пожара, лет

1 | 2 | 3 | 4 | 5

Сосняки

1 129,00 117,39 103,20 100,62 100,62 100,62

2 125,15 56,32 47,56 47,56 47,56 47,56

3 171,20 157,50 150,66 145,52 143,81 j 142,10

4 123,57 117,39 109,98 109,98 109,98 109,98

Лиственничники

5 126,19 116,09 108,52 107,26 103,48 100,95

6 93,79 61,90 54,40 49,71 49,71 47,83

7 100,95 88,84 85,81 85,81 82,78 -

8 124,24 105,60 103,12 103,12 103,12 -

9 113,80 103,56 103,56 103,56 101,28 -

10 100,32 73,23 73,23 70,22 65,21 -

При пожарах в сосняках подрост погиб, однако в лиственничниках при слабой интенсивности горения часть подроста сохранилась. В зависимости от интенсивности пожара отпад подроста высотой от 10 до 25 см составил от 30 до 100 %.

Через пять лет после пожара высокой интенсивности фитомасса подроста в сосняках составляла 0,82 т/га, средней - 1,19 т/га, низкой - 1,72 т/га. В лиственничнике фитомасса подроста после пожара высокой интенсивности составила - 20,10 т/га, средней - 17,30 т/га, низкой - 13,10 т/га. Это объясняется уничтожением живого

v = 9.3629е00004х R2 = 0.87

1000 2000 3000 4000 5000 Интенсивность. кВт м

напочвенного покрова и частично подстилки при пожарах высокой интенсианости и созданием более благоприятных условий в лиственничнике (рисунок 5.2). В сосняках лишайниковых на песчаных подзолах при пожаре высокой интенсивности произошло сгорание, как лишайникового слоя, так и подстилки почти до минерального слоя. Кроме того, после пожара изменились гидротермические условия, не способствующие лесовосстановлению (Тарасов и др., 2011).

112 3 4

Время поем пожара, да

« высокшенсмвный К низштеншкый

24

го:

л

« 4- |к -

1! -

ІІ,

А Я (1

С 4

0 +

у = 5,22641п(х|+ 4,6143 В'=0,93

0 12 3 4

Время после пожара, лет * высокоинтенсиекый V КИЗНОИНТШИВНЫЙ

Рисунок 5.2 - Динамика фитомассы подроста в сосняках (а) и лиственничниках (б) после пожаров различной интенсивности

5.2 Изменение структуры опада в светлохвойных насаждениях после пожара

Низовые пожары воздействуют не только на массу опада, но и на его фракционный состав. Установлено, что даже при пожаре низкой интенсивности опад сгорел почти полностью. В первый год после высокоинтенсивного пожара, как в сосняках, так и в лиственничниках произошло увеличение массы опада. Спустя два года после пожара высокой интенсивности его масса в сосняках достигла допожарного значения. Во фракционном составе преобладала хвоя (до 70 %). Спустя 5 лет после пожара высокой интенсивности в сосновых насаждениях в связи с гибелью древостоя увеличилась доля коры - до 30 % от массы опада.

После пожаров средней интенсивности в светлохвойных насаждениях масса опада увеличилась в 1,5 раза. Основная доля опада приходится на хвою, которая в 2,5 раза превышала допожарные значения. После низкоинтенсивных пожаров масса опада хвои снизилась и в первые два года была меньше допожарной на 10-20 % в лиственничных насаждениях и до 50 % - в сосняках. Лишь на 3-4 год масса опада приблизилась к своему допожарному уровню.

Таким образом, интенсивность горения в значительной степени определяет фракционный состав опада и его массу. Накопление опада после средне- и высокоинтенсивных пожаров происходит в результате увеличения опада с поврежденных деревьев. После пожаров наблюдается увеличение доли хвои, которая после пирогенного воздействия становится преобладающей фракцией. При низкоинтенсивных пожарах повреждения древостоя незначительны и масса опада уменьшается, в основном, из-за воздействия пожаров.

5.3 Динамика запаса напочвенного покрова после пожара

Послепожарный мониторинг фитомассы на экспериментальных участках в сосняках и лиственничниках позволил выявить, что после пожара процесс накопления фитомассы на поверхности почвы, определяется интенсивностью горения, определяющей степень воздействия на компоненты экосистемы. Установлено, что

пожары высокой интенсивности обусловили значительное снижение фитомассы напочвенного материала (на 49 %). По мере отпада деревьев и поступления на поверхность почвы опада, хвои, коры, а также сухих веток и валежа происходит накопление фитомассы, которое наиболее интенсивно идет в первые 2-3 года после пожара как в сосняках, так и лиственничниках (рисунок 5.3). Тем не менее, в течение пяти лет запас напочвенного покрова не восстановился до допожарного уровня. При пожарах низкой интенсивности запас напочвенного покрова уже на второй год составил 60-90 % от допожарных значений.

а) б)

Рисунок 5.3 - Структура запаса напочвенного покрова в сосняках (а) и лиственничниках (б) после пожаров высокой интенсивности

5.4 Послепожарная динамика надземной фитомассы

Накопление надземной фитомассы после пожаров в сосновых и лиственничных насаждениях определяется интенсивностью горения, обуславливающей воздействие на компоненты экосистемы. Пожары способствуют перераспределению фитомассы в мортмассу. После пожаров происходит увеличение мортмассы в результате отпада сухостоя и опада с поврежденных огнем деревьев (рисунок 5.4).

Выявлено, что надземная фитомасса после пожаров высокой интенсивности претерпевает значительные изменения. В последующие годы после пожара наблюдается преобладание мортмассы. После пожаров низкой интенсивности таких изменений не наблюдается.

а)

№

£

'.! » ї я ¡1 к к

Рисунок 5.4 - Динамика надземной фитомассы после пожаров высокой (а) и низкой (б) интенсивности в сосняках

б)

12 3-1

Враапоск пожара, .кг ¿фишка ♦иорвасса

у=0.ЙхМ2»х+,1Л

=-130х2+И.1?х+13.б

Врая пос яе пожара, лет

Глава 6 Воздействие пожаров на баланс углерода в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья

Лесные пожары оказывают существенное влияние на цикл углерода в результате изменения круговорота питательных веществ (Кобак, 1988; Ведрова, 1997; Бобкова, Тужилкина, 2001; Швиденко и др., 2001; Трефилова, 2006). Они способствуют переходу экосистемы в состояние источника углерода в атмосферу (Ведрова, 1997; Апиго, 2001). Исследование углеродного цикла на различных этапах послепожарного развития позволяет определить статус лесных экосистем, является ли она источником или стоком для атмосферного углерода.

Оценка баланса углерода в сосновых и лиственничных насаждениях Нижнего Приангарья была произведена на основе полученных нами экспериментальных данных по воздействию низовых пожаров разной интенсивности на лесную экосистему и литературных источников (Казимов и др., 1977; Бобкова, 1981; Таланцев, 1981; Казимиров, 1983; Онучин, Спицина, 1995; Ведрова, 1997; Трефилова, 2006) по ежегодному приросту и скорости разложения органического вещества.

6.1 Баланс углерода в светлохвойных насаждениях до пожара

До пожара экосистема на всех экспериментальных участках функционировала в качестве стока атмосферного углерода: от +472 до +1028 кг С га"1 в сосняках и от +576 до +1850 кг С га"1 в лиственничниках. В экосистеме сосняков и лиственничников закрепляет около 25 % первичной продукции. Минерализационный поток при разложении растительного материала составил в сосняках от 671 до 914 кг С га'1 год"', в лиственничниках - от 994 до 1333 кг С га"' год"'. Основная масса разлагающегося материала (51-65 %) приходится на подстилку представленную растительными остатками разной степени разложения.

6.2 Баланс углерода в светлохвойных насаждениях после воздействия пожаров разной интенсивности.

Пожары высокой интенсивности приводят к значительному отпаду деревьев, что обуславливает значительный поток углерода от разлагающейся древесины. Через год после пожара интенсивность минерализационного потока составила 679 кг С га"1 год"1 в сосняке (таблица 6.1) и 1083 кг С га"1 год"' - в лиственничнике (таблица 6.2). Установлено, что эмиссия углерода при горении напочвенного покрова превышает в 15 раз ежегодные потери от разложения органического вещества экосистемы.

Интенсивность минерализационного потока в последующие годы возрастает и через пять лет составляет в сосняке - 766 кг С га"1 год"1, в лиственничнике -1509 кг С га'1 год"'. В связи с гибелью древостоя способность экосистемы к накоплению углерода снижается, и экосистема функционирует в качестве источника атмосферного углерода, изменяясь от - 240 до -323 кг С га"1 год"1 в сосняке (таблица 6.1) и от -414 до -719 кг С га"' год'1 в лиственничнике (таблица 6.2).

Меньшая потеря углерода экосистемой при низкоинтенсивном пожаре обусловлена мозаичностью прогорания территории и сохранением большей части живого напочвенного покрова. После низкоинтенсивного пожара экосистема южнотаежных сосняков и лиственничников сохраняет свой статус стока для атмосферного углерода в отличии от сосняков средней тайги (Кукавская, 2009). Это главным образом объясняется большей продуктивностью южнотаежных сосняков.

Таким образом, интенсивность пожара в значительной степени определяет статус экосистемы посредством воздействия на компоненты насаждения.

Таблица 6.1

Баланс углерода в сосняке (участок 2) до и после пожара высокой интенсивности,

кг С га"' год"'_

Составляющие баланса До пожара Период после пожара, лет

1 год 3 год 5 год

Продукция полная: 1143 439 437 493

древостой 833 431 406 405

подрост 5 1 5 8

травы и кустарнички 138 7 26 80

мхи, лишайники 167 0 0 0

Минерализационный поток: 671 679 760 766

опад 59 157 214 246

подстилка 549 419 421 400

древесные остатки 58 61 78 73

сухостой 6 42 47 47

Вход-выход +472 -240 -323 -272

Таблица 6.2 Баланс углерода в лиственничнике (участок 6) до и после пожара высокой интенсивности, кг С га"' год"1

Составляющие баланса До пожара Период после пожара, лет

1 год 3 год 4-5 год

Продукция полная: 1910 669 642 790

древостой первого яруса 952 270 217 215

древостой второго яруса 378 115 0 0

подрост 73 80 112 147

подлесок 168 173 215 285

травы и кустарнички 39 25 61 94

мхи 299 6 37 50

Минерализационный поток: 1333 1083 1342 1509

опад 213 255 291 378

подстилка 732 492 662 715

древесные остатки 383 303 351 377

сухостой 5 32 39 40

Вход-выход +576 -414 -700 -719

Заключение

1. Лесная экосистема южнотаежных сосняков и лиственничников Нижнего Приангарья является стоком для атмосферного углерода. Общая фитомасса древостоя в сосняках составила от 123 до 171 т/га, а в лиственничниках - от 93 до 126 т/га. Масса напочвенного покрова в лиственничниках больше на 23 % чем в сосняках.

2. Установлено, что количество сгоревшей массы напочвенного покрова в сосняках и лиственничниках варьировало от 8,96 до 31,78 т/га в зависимости от интенсивности горения и достигало при пожаре высокой интенсивности 49 % от допожарного значения.

3. Эмиссия углерода при низовых пожарах в южнотаежных сосняках и лиственничниках составила от 11,17 до 15,89 т/га при пожаре высокой интенсивности, от 6,26 до 10,48 т/га - при средней, и от 3,64 до 9,10 т/га - при низкой. Величина эмиссии углерода при пожаре в южнотаёжных светлохвойных насаждениях превышает ежегодную эмиссию в 4-15 раз.

4. Выявлена прямая связь между интенсивностью горения и величиной отпада. Отпад деревьев составил после пожаров высокой интенсивности до 62 % в сосняках и до 49 % в первом ярусе, и до 100 % во втором в лиственничниках. Основной отпад деревьев приходится на первые 2-3 года после пожара.

5. Послепожарная динамика надземной фитомассы в светлохвойных насаждениях определяется интенсивностью горения. После пожаров высокой интенсивности выявлено снижение живой надземной фитомассы до 70 %.

6. Пожары высокой интенсивности переводят экосистемы южнотаёжных сосняков и лиственничников в состояние источника углерода в атмосферу сразу после пирогенного воздействия. После пожара низкой интенсивности экосистема этих насаждений продолжает функционировать как сток углерода за счет сохранения полога древостоя и частично живого напочвенного покрова.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ: Публикации в журналах, рекомендованных ВАК

1. Жила, C.B. Трансформация биомассы напочвенного покрова под воздействием пожаров в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья / C.B. Жила, Г.А. Иванова, Е.А. Кукавская // Вестник КрасГАУ. - 2011. - Вып. 3. - С. 33-38.

2. Ковалева, Н.М. Формирование живого напочвенного покрова на начальной стадии пирогенной сукцессии в сосняках Нижнего Приангарья / Н.М. Ковалева, C.B. Жила, Г.А. Иванова // Хвойные бореальной зоны. - 2012. - № 3-4. - С. 265-269.

Публикации в других изданиях

3. Жила, C.B. Комплексы напочвенных горючих материалов в лиственничниках Нижнего Приангарья / C.B. Жила, Е.А. Кукавская // Ботан. исслед. в Сибири. - 2009. -Вып. 17.-С. 20-23.

4. Жила, C.B. Биомасса напочвенного покрова в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья / C.B. Жила, Г.А. Иванова, Е.А. Кукавская // Материалы Всероссийской конференции с участием иностранных ученых. - 2009. - С. 247-249.

5. Жила, C.B. Эмиссия углерода при низовых пожарах в лиственничниках разнотравно-зеленомошных Нижнего Приангарья / C.B. Жила // Ботан. исслед. в Сибири.-2010.-Вып. 18 -С. 42-44.

6. Жила, C.B. Послепожарный отпад деревьев в лиственничниках разнотравно-зеленомошных Нижнего Приангарья / C.B. Жила // Материалы межрегиональной научно-практической конференции студентов и учащихся. - Красноярск, 2010. - С. 1720.

7. Жила, C.B. Фитомасса древостоев светлохвойных насаждений Нижнего Приангарья / C.B. Жила, A.B. Морозов // Материалы всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) студентов и молодых ученых. - Красноярск, 2011. - С. 37-40.

8. Жила, С.В. Структура фитомассы древостоев светлохвойных насаждений Нижнего Приангарья / С.В. Жила, Е.А. Кукавская // Ботанические исследования в Сибири. - 2011. - Вып. 19. - С. 31-37.

9. Жила, С.В. Отпад деревьев под воздействием пожаров в сосняках Нижнего Приангарья / С.В. Жила // Материалы международной научной конференции. -Новосибирск, 2012. - Т.2. - С. 77-80.

10. Ivanova, G. Impact of various severity fires on forest ecosystem components of Siberia, Russia / G. Ivanova, A. Bogorodskaja, V. Ivanov, N. Kovaleva, E. Krasnoshekova,. E. Kukavskaya, P. Tarasov, S. Zhila, S. Conard, D. McRae // Abstracts of the VI International conference on forest fire research, November 15-18, Coimbra, Portugal. - 2010. - P. 247.

11. Ivanova, G. Estimating and Monitoring Effects of Fire Severity on Ecosystem Components of Siberian Scots pine forests / G. Ivanova, S. Conard, A. Bogorodskaja, V. Ivanov, N. Kovaleva, E. Krasnoshekova, E. Kukavskaya, P. Tarasov, S. Zhila // Geophysical Research Abstracts, Vol. 13, EGU2011-2796-2, EGU General Assembly, April 03-08, Vienna, Austria. - 2011. - P. 107.

12. Ivanova, G. Fire impact on carbon balance and components of forest ecosystems of Central Siberia / G. Ivanova, A. Bogorodskaja, N. Kovaleva, E. Kukavskaya, S. Zhila // Book of abstracts of the International conference of fire behavior and risk: Focus on wildland urban interfaces. October 04-06, Alghero, Italy. - 2011. - P. 157-158.

УОП ИЛ CO PAH Заказ № 45, тираж 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Жила, Сергей Викторович, Красноярск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201360615

ЖИЛА Сергей Викторович

ТРАНСФОРМАЦИЯ ФИТОМАССЫ В СВЕТЛОХВОЙНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ НИЖНЕГО ПРИАНГАРЬЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ

ПОЖАРОВ

Специальность 06.03.02 - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и

лесная таксация

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., с.н.с. Г.А. Иванова

Красноярск - 2013

4.3 Оценка количества сгоревшей массы.....................................104

4.4 Оценка эмиссии углерода при лесных пожарах........................105

Глава 5 Послепожарные изменения фитомассы в сосняках лиственничниках зеленомошных Нижнего Приангарья....................108

5.1 Изменение фитомассы древостоя, подроста и подлеска под воздействием пожара..............................................................109

5.2 Изменение структуры опада в светлохвойных

насаждениях после пожара....................................................119

5.3 Динамика запаса напочвенного покрова после

пожара...............................................................................124

5.4 Послепожарная динамика надземной фитомассы....................135

Глава 6 Воздействие пожаров на баланс углерода в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья...............................................139

6.1 Баланс углерода в светлохвойных насаждениях

до пожара............................................................................139

6.2 Баланс углерода в светлохвойных насаждениях после воздействия пожаров разной интенсивности................................143

Заключение...........................................................................150

Список литературных источников..............................................151

Приложения...........................................................................174

Введение

Бореальные леса содержат огромные запасы углерода в виде фитомассы живых растений, их остатков разной степени деструкции, гумуса и торфов. Проблемы глобальных экологических изменений нельзя удовлетворительно решать без оценки роли бореальных лесов в поглощении атмосферного углерода и продолжительности его удержания в лесных экосистемах (Швиденко, 2003; Vaganov, Shvidenko, 2002; Исаев и др., 1993; Mori et al., 1998).

Актуальность исследований углеродного цикла лесов России напрямую связана с проблемой глобальных изменений климата и парникового эффекта (Уткин и др., 1997; Заварзин, 1999).

Лиственничные леса России сохраняют свое лидирующее положение в составе бореальных лесов Северной Евразии. Общая площадь насаждений с преобладанием лиственницы в России составляет 263*106 га, запасы

О 1

древесины достигают 30*10 м (40 % и 37 % от общероссийского уровня). На их долю приходится 34 % покрытой лесом площади, 31 % запасов древесины и 18 % годичного депонирования углерода лесными насаждениями (Уткин и др., 2003). На лиственничные леса приходится большая часть всех хвойных лесов Сибири. В Нижнем Приангарье древостой с преобладанием лиственницы составляют до 24 % (Жуков и др., 1969).

Огромный вклад в углеродный цикл вносят лесные пожары, влияние которых значительно изменяет экологические функции экосистем. 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, и, как следствие, к долгосрочной деградации лесорастительных условий (Kasischke et al., 1995; Conard, Ivanova, 1997). Лесные пожары являются источником как прямой, так и

послепожарной эмиссии углерода, возникающей в процессе разложения поврежденной пожаром растительности (Софронов, Волокитина, 1998).

Установлено, что бореальные экосистемы зачастую являются стоком углерода (Ваганов и др., 2005; Кобак, 1988). При этом неоднократное воздействие пожаров может способствовать переходу системы из стока в источник углерода, за счет прямых выбросов при сгорании растительности и косвенных последствий пирогенного воздействия, главным образом вследствие деструкции и гниения погибшей растительности.

Вопросам оценки фитомассы и баланса углерода в лесных экосистемах уделено значительное внимание (Кобак, 1988; Исаев и др., 1993; Уткин и др., 1997; Hamburg et al., 1997; Конард, Иванова, 1998; Швиденко и др., 2000, 2003; Усольцев, Залесов, 2005; Тулохонов и др., 2006). Полученные данные расчётов эмиссии углерода при лесных пожарах являются в основном экспертными оценками (Конард, Иванова, 1998; Ваганов и др., 2005). Экспериментальные работы по определению эмиссии и баланса углерода являются очень трудоёмкими и материально затратными. Также немногочисленны работы по определению влияния пожаров разной интенсивности на трансформацию фитомассы, а также изменения её послепожарной динамики. В связи с этим оценка воздействия пожаров на фитомассу и составляющие баланса углерода в лесных экосистемах в настоящее время остается актуальной.

Целью диссертационной работы является оценка трансформации фитомассы южнотаёжных сосняков и лиственничников зеленомошных в условиях Нижнего Приангарья под воздействием лесных пожаров разной интенсивности.

Личный вклад автора

Диссертационная работа выполнена в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и является частью комплексных исследований, проведенных в рамках российско-американских соглашений № 05-04-476 и 10-05-043 "Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири" (2000-2011 гг.), гранта РФФИ 07-04-00562 (2007-2009 гг.) и проекта МНТЦ № 3695 (2008-2011 гг.). В период с 2008 по 2012 гг. в составе комплексного экспедиционного отряда автором проводился сбор полевого материала, а также статистическая и графическая обработка данных по оценке фитомассы, возобновления и отпада деревьев. Автор принимал непосредственное участие в полевых экспериментах 2009-2011 гг. по моделированию воздействия пожаров на фитомассу и послепожарную эмиссию углерода.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были представлены в виде научных докладов лично автором и в соавторстве на Межрегиональной научно-практической конференции "Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края" (Красноярск, 2009), Всероссийской научно-практической конференции с участием иностранных ученых "Эколого-географические аспекты лесообразовательного процесса" (Красноярск, 2009), Международной конференции "Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде" (Красноярск, 2009), Всероссийской научно-практической конференции посвященной 80-летию СибГТУ "Молодые ученые в решении актуальных проблем науки" (Красноярск, 2010), Международной конференции "Дистанционные методы зондирования земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология" (Новосибирск, 2010, 2012), Международной конференции "VI International Conference on Forest Fire Research" (Portugal, 2010), Международном

симпозиуме EGU-2011 (Vena, Austria, 2011), Международной конференции "International Conference on Fire Behaviour and Risk Modeling" (Alghero, Italy, 2011).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе две статьи в рецензируемых журналах (по списку ВАК).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 41 таблицу и список используемой литературы, состоящий из 216 источников, в том числе 73 на английском языке.

Благодарности

Автор выражает признательность научному руководителю д-ру биол. наук, в.н.с. Г.А. Ивановой за научное руководство и организацию исследований при выполнении диссертационной работы и канд. биол. наук, н.с. Е.А. Кукавской за помощь при проведении полевых работ и обработке материалов.

В северо-таежных сосняках зеленомошной группы европейского севера России продуктивность древесной растительности в 1,5-2 раза меньше чем в средней тайге и 2-3 раза меньше, чем в подзоне южной тайги (Бобкова, 1981, 1985). Автором установлено, что основная масса корней в условиях северной тайги располагается в 20-сантиметровом слое почвы. В подзоне средней тайги наибольшая концентрация физиологически активных корней (72 %) находится в подстилке. Текущий прирост органической массы сосняков чернично-зеленомошных составляет 1418 кг/га, что в 2-3 раза превышает средний (653 кг/га). Общий запас органической массы в сосняках черничниковых составил 181-194 т/га, при этом на массу древостоя приходится 94-98 %. Установлено, что, чем больше кроновая масса древостоя сосредоточена в верхней части фитоценоза, тем сильнее проявляется его средообразующая роль.

Надземная биомасса молодняков одновозрастных сосняков разнотравной группы типов леса Красноярско-Канской лесостепи составляет от 72 до 143 т/га, абсолютно сухого веса, в приспевающих - от 102 до 188 т/га. Продуктивность стволовой древесины повышается с увеличением полноты (в молодняках до 81 % от надземной массы, в приспевающих до 90 %) (Семечкина, 1973).

Исследование фитомассы и особенности её продуцирования деревьями разного ценотического положения в сосняках рододендро-брусничных Среднего Приангарья показало, что наибольшую долю в весе ассимиляционного аппарата дерева имеет 2- летняя хвоя (22 %). Наибольшая масса корней сосредоточена в 40-сантиметровом слое почвы. Общая фитомасса древесной части исследуемых сосняков равна 104 т/га абсолютно сухого веса. Наблюдается тесная связь между диаметром на уровне груди, объемом ствола, проекцией кроны и всеми показателями веса надземной и подземной частей фитомассы (Бузыкин, Пшеничникова, 1978).