Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Многолетняя изменчивость климата, прироста деревьев и частоты пожаров в тайге Средней Сибири

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Многолетняя изменчивость климата, прироста деревьев и частоты пожаров в тайге Средней Сибири"

Российская академия наук Сибирское отделение _ _ . Институт леса им.В.Н.Сукачева

РГ6 од

' * АПР 1998

На правах рукописи

арбатская мария карловна

МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КЛИМАТА, ПРИРОСТА ДЕРЕВЬЕВ И ЧАСТОТЫ ПОЖАРОВ В ТАЙГЕ СРЕДНЕЙ СИБИРИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Красноярск -1998

Работа выполнена в лаборатории дендрохронологии Института леса им.В.Н.Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: д.б.н., профессор В.И.Харук Научный консультант: д.б.н. Е.А.Ваганов

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор В.В.Кузьмичев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор П.М.Матвеев.

Ведущая организация: Центр по проблемам экологии и

продуктивности лесов РАН (г.Москва).

Защита состоится « 19 » мая_ 1998г. в 10 часов на

заседании диссертационного Совета К 002.70.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте леса им.В.Н.Сукачева СО РАН по адресу : 660036, Красноярск, Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института леса им.В.Н.Сукачева СО РАН. Автореферат разослан «_»_1998г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета „

кандидат биологических наук О.А.Зырянова

Общая характеристика работы Актуальность темы. Проблема многолетней изменчивости прироста деревьев и частоты пожаров в природных экосистемах в связи с глобальными и региональными изменениями климата имеет фундаментальное и прикладное значение. Эта проблема находится в фокусе мультидисциплинарных исследований в рамках проектов международной геосферно-биосферной программы (таких, как GCTE, PAGES, IGBP-NES) и российской федеральной программы по глобальным изменениям климата и среды. В последнее время в рамках международной геосферно-биосферной программы были сформированы крупные исследовательские проекты по комплексным исследованиям наземных экосистем вдоль 6-ти базовых трансект в разных частях земного шара, один из которых организован в бореальных лесах Сибири (IGBP-NES, 1996). По инициативе СО РАН организован мультидисциплинарный интеграционный проект по исследованию функционирования зональных лесных экосистем вдоль Енисейского меридиана. Меридиональный трансект позволяет на единой методической основе количественно изучать параметры биогеохимических, гидрологических циклов, выявлять закономерности реакции лесной растительности на изменения климатических факторов вдоль градиента преобладающего фактора - температуры. Выявленные закономерности для разных зональных экосистем составят основу прогноза динамики границ растительных подзон, скорости накопления фитомассы, частоты лесных пожаров и других процессов при ожидаемых глобальных и региональных изменениях климата.

Многолетняя изменчивость частоты пожаров в сочетании с динамикой прироста деревьев являются одними из важнейших показателей скоростей и направленности сукцессионных процессов (Фуряев, 1996; Chandler et al., 1991; Crutzen, Goldammer, 1993). Во многих районах земного шара проведены детальные исследования многолетней изменчивости прироста деревьев как косвенных источников информации об изменении климата (Schweingruber, Briffa, 1995; Ваганов и др., 1996). Однако только в единичных случаях древесно-кольцевые хронологии использованы для реконструкции изменений климата и многолетней изменчивости частоты пожаров (Swetnam, 1993; Larsen, MacDonald, 1995). Начаты такие работы и в бореальных лесах Сибири (Валендик и др.,1993; Арбатская, Ваганов, 1997). Именно они позволят получить надежные данные о влиянии климата на изменение частоты лесных пожаров для разных подзон тайги Сибири. Цель исследования. Основная цель работы - исследование многолетней изменчивости климата, прироста деревьев и частоты пожаров в разных подзонах тайги Средней Сибири. В рамках общей цели решались следующие задачи исследования:

1. Получение локальных и региональных длительных древесно-кольцевых хронологий для трех районов Средней Сибири, представляющих северную, среднюю и южную подзоны тайги.

2. Получение длительной хронологии лесных пожаров по пожарным поранениям деревьев 19-ти участков Касовско-Дубческого междуречья и анализ сезонной приуроченности лесных пожаров по морфологии пожарных поранений.

3. Дендроклиматический анализ древесно-кольцевых хронологий из районов северной, средней и южной подзон тайги с целью выявления основных климатических факторов, определяющих многолетнюю изменчивость прироста деревьев.

4. Исследование связи между длительными изменениями прироста деревьев, изменениями климатических переменных и частотой пожаров и разработка моделей реконструкции многолетней изменчивости частоты пожаров по древесно-кольцевым хронологиям.

5. Сопоставление реконструированных длительных изменений частоты лесных пожаров в разных подзонах тайги с изменениями летней температуры северного полушария.

6. Сравнительный анализ среднего межпожарного интервала для исследуемых районов и оценка влияния антропогенного фактора на средний межпожарный интервал.

Научная новизна. Для исследованных районов бореальной зоны длительные древесно-кольцевые хронологии могут быть использованы, как для реконструкции изменений климата, так и для реконструкции многолетней изменчивости частоты пожаров. Дендроклиматический анализ функций отклика древесно-кольцевых хронологий выявил ведущие климатические факторы, в первую очередь, температуру и осадки летних месяцев, которые определяют многолетнюю изменчивость прироста и частоты пожаров в разных подзонах тайги Средней Сибири. Распределение пожарных поранений по зонам ранней, поздней древесины и в период покоя камбия показало, что во-первых, наибольшее число лесных пожаров в исследованных районах приходится на первую половину сезона, во-вторых, дендрохронологическая датировка позволяет реконструировать многолетнюю изменчивость внутрисезонного распределения пожаров. Анализ многолетней изменчивости частоты пожаров в разных подзонах тайги в связи с изменениями летней температуры северного полушария за несколько столетий показал, что на региональном уровне повышение температуры необязательно вызовет увеличение частоты пожаров. Примером может являться средняя подзона тайги, где многолетняя изменчивость частоты пожаров в большей степени определяется условиями увлажнения.

Практическое значение. Предложен метод реконструкции частоты лесных пожаров по древесно-кольцевым хронологиям, который

применим для других районов бореальной зоны Сибири. Апробированы приемы использования данных среднего межпожарного интервала и древесно-кольцевых хронологий для оценки эмиссии углерода из лесных экосистем вследствие пожара. Предложены основы вероятностной модели оценки межпожарного интервала по запасам горючих материалов, вероятности пожароопасных лет и вероятности источника огня. Модель может быть использована для оценки горимости территории в сочетании с данными истории пожаров, определенной по послепожарным подсушинам деревьев дендрохронологическим методом. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на семинаре лаборатории дендрохронологии, конференции молодых ученых Института леса им.В.Н. Сукачева СО РАН (Красноярск, 1997), на 11-й Международной дендроэкологической летней школе (Тренто, Италия, 1995), Международной конференции ИЮФРО "Экологические и физиологические аспекты ксилогенеза хвойных" (Красноярск, 1996), Международной конференции ООН "Лес, пожары и глобальные изменения" (Шушенское, 1996), Международном рабочем совещании "Пространственно-временные параметры изменчивости экосистем высоких широт" (Сибирский Трансект ЮВР) (Красноярск, 1997). Публикации. По материалам диссертации опубликовано и находится в печати 10 работ (7 статей и 3 тезисов докладов совещаний). Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения (даты обобщенных хронологий пожаров по местам сбора образцов, статистика региональных древесно-кольцевых хронологий). Объем составляет 137 страниц (без приложения). Список литературы включает 142 наименования, в том числе 66 на иностранных языках. Глава ч. Пространственно-временная изменчивость частоты

пожаров в бореальных лесах (состояние вопроса)

Представлен обзор литературы о горимости территории и частоте пожаров, о ландшафтных закономерностях изменчивости частоты пожаров, по частоте пожаров в бореальной зоне и влиянии ее на послепожарную сукцессию лесов, по методам анализа частоты пожаров, по подходам к анализу многолетней изменчивости климата, прироста деревьев и частоты пожаров. Горимость территории, определяемая через частоту пожаров и повреждаемую ими площадь (Валендик, 1990) определяется рядом факторов: запасом горючих материалов (Курбатский, 1964, 1970; Софронов, Волокитина, 1990), соответствующими погодными факторами (Нестеров, 1946; Фуряев, Киреев, 1979, Иванова, 1995,1996), наличием источника огня (природного или антропогенного)(Мелехов, 1947,1948; Курбатский, 1964, РоэЬегд е1 а1, 1990,1996). Частота пожаров существенно различна для крупных территорий (Валендик, 1990, 1996), ландшафтов и их подразделений (Фуряев,Киреев,1979; Фуряев, 1996), типов леса (Верхунов, 1970;

Курбатский, 1970), рельефа местности и высоты над уровнем моря (Goldammer, 1990,1996; Caprio, Swetnam, 1993). Частота пожаров является одним из основных факторов влияющим на структуру древесной растительности. Изменение частоты пожаров приводит к соответствующим изменениям лесной сукцессии, и наоборот, любые изменения в составе и структуре растительности приводят к изменению частоты пожаров (Chandler etal, 1991; Goldammer, Furyaev, 1996; Fosberg et al, 1996).

Рассмотрены дендрохронологические методы датировки прошлых пожаров по морфологии пожарных поранений (fire scars) (Dieterich, Swetnam, 1984; Fritts, Swetnam, 1989). Отмечены возможности данного метода не только в определении года пожара, но и его внутрисезонного датирования - па поранениям ранней или поздней древесины (Fritts, Swetnam, 1989; Swetnam, Dieterich, 1985; Swetnam, 1988). Рассмотрены другие методы реконструкции длительных изменений лесных пожаров, например, по остаткам угля в слоях почвы (Clark, 1988, 1990, 1993). Анализ многолетней изменчивости климата, прироста деревьев и частоты пожаров с целью использования древесно-кольцевых хронологий для реконструкции частоты пожаров был выполнен только для двух районов земного шара: на Юго-западе США и штате Альберта (KaHafla)(Swetnam, 1993; Larsen, MacDonald, 1995). Для бореальных лесов Сибири такие работы только начались (Swetnam, 1996; Валендик и др., 1994; Арбатская, Ваганов, 1997), но их важность и перспективность не вызывает сомнений. Глава 2. Материал и методы исследования

Три района были выбраны в качестве типичных для бореальных лесов Средней Сибири (Рис.1): основной, в междуречье Дубчеса и Каса, где был собран наиболее полный и представительный материал по длительным древесно-кольцевым хронологиям и хронологиям пожаров, и два дополнительных - в районе среднего и нижнего течения р. Нижней Тунгуски и нижнего течения р. Ангары. Эти районы представляют типичные ландшафты северной, средней и южной тайги.

В районе северной тайги материал для определения дат пожаров собран в чистых лиственничниках (преимущественно зеленомошной группы леса) и лиственничниках с примесью кедра и ели. Имеющиеся для этого района длительные древесно-кольцевые хронологии (Панюшкина и др., 1997; Панюшкина, Арбатская, 1998) использовались для построения генерализированной (региональной) хронологии, для датировки пожаров и анализа связи между изменчивостью прироста, ведущими климатическими переменными и количеством пожаров за многолетний период (с 1975 по 1994 гг.).

В районе междуречья Дубчеса и Каса образцы древесины для построения хронологий пожаров (диски с послепожарными подсушинами) были собраны в 19-ти разновозрастных сосняках, преимущественнс

88°

92°

96°

Тумхансч

64°

130

I

е.

29

Ногинск

60° I

-18 • <6

/"•"■У М

5 \ЯрцЕ8о

4 - 9Г

<5 '

ЛесосиБьй

28

2!*

л.тунг»'

24

ты ра

Учлмм \»>

'26

ЕАйК«Т

•г*

-19 .

20 •Л

ж/маизя*2г

^."Логыгино I

анга^г

Рис. 1. Карта-схема районов сбора образцов для построения древесно-кольцсвых хронологий (А) и хронологий пожаров ( •).

лишайникового и брусничного типов. Для получения длительных обобщенных и генерализированной древесно-кольцевых хронологий были собраны керны древесины (не менее 15-ти) на 5-ти участках у деревьев, не имеющих послепожарных подсушин. По дискам древесины датировали годы пожаров, а по морфологии пожарных поранений (Dieterich, Swetnam, 1984; Fritts, Swetnam, 1989) - сроки повреждения пожаром (в ранней, поздней древесине или в период покоя камбия). Измерения прироста индивидуальных деревьев на кернах и дисках затем использовали для получения генерализированной (региональной) древесно-кольцевой хронологии.

В районе нижнего течения р. Ангары были получены три обобщенные древесно-кольцевые хронологии (две для сосны, одна для лиственницы) для. деревьев, не имеющих послепожарные подсушины. Для пяти участков (сосняки лишайниковые, брусничные и сосняк разнотравный) по дискам древесины были получены хронологии пожаров. Два участка были выбраны в районах высокой активности людей. Для данного района в сопоставлении с древесно-кольцевыми хронологиями использовались многолетние данные количества пожаров по Манзенскому подразделению авиалесоохраны.

Выявленные на отдельных деревьях даты пожарных поранений затем объединялись в обобщенные (composite (Madany et al., 1982)) хронологии пожаров, которые с высокой достоверностью позволяют установить даты пожаров на исследуемом участке. По хронологиям пожаров определяли важные характеристики их временной изменчивости: средний межпожарный интервал и его стандартное отклонение, частота пожаров для исследуемого района в отдельные календарные интервалы времени, распределение пожаров по отдельным зонам годичного кольца. Измерения ширины годичных колец на индивидуальных образцах стандартизовались (Methods of Dendrochronology, 1990), затем значения индексов усреднялись для участка (обобщенная хронология) или в целом для района исследования (генерализированная хронология)(Шиятов, 1986; Шиятов, Ваганов, 1998). При сравнительном анализе отдельных хронологий между собой использовали стандартные оценки: коэффициент корреляции, синхронности, чувствительности (Шиятов, 1986; Methods of Dendrochronology, 1990). Кроме т.н. стандартной хронологии, для каждого участка получали и анализировали «остаточную» хронологию, в которой подавлена автокорреляция (Мазепа, 1990; Methods of Dendrochronology, 1990). Выделение и анализ ведущих климатических факторов на рост деревьев в районах исследования проводили с помощью климатических функций отклика (Fritts, 1976; Schweingruber, 1988). Анализ древесно-кольцевых хронологий основывался на стандартной библиотеке программ, разработанной для дендрохронологических рядов (Holmes, 1992; Mazepa, 1985, 1990). В анализе прироста деревьев и частоты

пожаров также использовали множественные линейные и нелинейные (второго порядка) регрессионные модели, реализованные в стандартной программе БТАИЗЛСА для персональных компьютеров. Глава 3. Реакция древесных растений на периодическое

воздействие низовых пожаров

Метод использования морфологии пожарных поранений для внутрисезонной приуроченности пожаров был разработан и применен для лесов Юго-Запада США (□¡е1епсЬ, 3\л/е1пат, 1984) для условий с достаточно продолжительным сезоном роста деревьев. Необходимо было проверить адекватность его для бореальных лесов Сибири, где период сезонного роста деревьев непродолжителен. С этой целью для двух районов исследования была определена внутрисезонная приуроченность пожарных поранений двумя методами: по морфологии пожарных поранений на древесных образцах и по данным сезонного распределения количества пожаров по данным авиалесоохраны за несколько лет. Поскольку пожароопасный сезон продолжительнее, чем сезон формирования годичных колец в исследуемых районах, то подсчет зарегистрированных авиалесоохраной количества пожаров производили отдельно для периода формирования ранней древесины, поздней древесины и периода покоя камбия (весеннего или осеннего). Продолжительность этих периодов была определена из данных сезонного формирования годичных колец, полученных для исследуемых районов (Ваганов и др., 1985; Ваганов, Арбатская, 1996). В Табл.1, можно видеть, что между двумя способами оценки внутрисезонной приуроченности существует хорошее совпадение, т.е. дендро-хронологический метод может быть успешно использован в таежных лесах Сибири для оценки внутрисезонной приуроченности пожаров и ее изменчивости в условиях изменения климата. Данные дендрохронологических дат пожаров по всем исследованным участкам северной, средней и южной тайги показывают (Рис.2), что большинство пожаров отмечается в период формирования ранней древесины (72, 58 и 54% для северной, средней и южной тайги соответственно). Значительно меньше пожаров наблюдаются в период формирования поздней древесины (вторая половина сезона) и еще меньше - в период весеннего или осеннего покоя камбия. Поскольку ранняя древесина в годичных кольцах формируется в июне (северная тайга) и конце мая-начале июля (средняя и южная тайга), то именно эти периоды сезона являются наиболее пожароопасными в соответствующих районах.

Сопоставление кривых прироста индивидуальных деревьев по радиусам ствола вблизи послепожарной подсушины и на противоположном радиусе позволило установить типичную реакцию камбия на повреждающее воздействие (огневое повреждение) -компенсаторный рост. Измерения прироста по радиусам вблизи

Таблица 1.

Сравнительный анализ частоты пожаров двумя методами: по данным авиалесоохраны и дендрохронологическим

Частота пожаров в разные периоды Количество Количество

Район формирования годичных колец (в%). обследованных пожаров по

исследований Ранняя Поздняя Период пожарных данным

древесина древесина покоя поранении авиалесо-

1 2 1 2 1 2 охраны

Средняя тайга 5В 58 27 28 15 14 449 448

Южная тайга

54 48 30 37 16 15 58 265

1-по данным авиалесоохраны; 2- определенная дендрохронологическим методом.

Ей Ы ОР

Рис.2. Распределение пожаров по зонам годичного кольца в северной (А), средней (Б) и южной (В) подзонах тайги Средней Сибири: Е\У -процент пожаров в зоне ранней древесины, - в зоне поздней древесины, ЭР - в период покоя камбия. л п

послепожарной подсушины нельзя использовать ни для датировок, ни для дендроклиматического анализа.

Достаточно массовый материал по измерению роста деревьев из одного участка, имеющих и не имеющих послепожарные подсушины позволил исследовать реакцию древостоя на периодическое воздействие низового пожара. Такое сопоставление было сделано для двух древостоев из районов средней и южной тайги. Измерения прироста на дисках с послепожарными подсушинами производили по противоположному радиусу. Древесно-кольцевые хронологии, рассчитанные для деревьев, имеющих и не имеющих послепожарные подсушины, практически не отличаются (коэффициенты корреляции 0.92 и 0.89). Высокая автокорреляция в древесно-кольцевых хронологиях обусловлена периодическим воздействием на древостой пожаров. Метод «наложенных эпох» (Ловелиус, 1979; Lough, Fritts, 1987) позволяет выявить и проанализировать характерную динамику прироста деревьев в до- и после-пожарный период. Во всех случаях минимальная величина прироста отмечается на следующий после пожара год. В первые после пожара годы депрессия прироста может достигать 25-40 %. Скорость и продолжительность восстановления прироста зависит от типа древостоя и связана, главным образом, с восстановлением разрушенных пожаром напочвенного покрова и подстилки. Например, для древостоев северной тайги характер до- и после-пожарной динамики прироста четко следует за изменениями в напочвенном покрове и верхнем слое почвы: подавление прироста перед пожаром за счет разрастания мохового слоя и подступа мерзлоты к поверхности, уменьшение прироста на следующий после пожара год вследствие повреждения корневой системы и самих деревьев огнем, и затем медленное (в течение 15-20 лет) нарастание скорости роста, обусловленное улучшением термического режима верхних слоев почвы и формированием напочвенного покрова. Поэтому в обобщенных древесно-кольцевых хронологиях отдельных древостоев, периодически повреждаемых низовыми пожарами содержится значительная составляющая изменчивости, ими обусловленная, и это необходимо учитывать при дендрокпиматическом анализе. Глава 4. Анализ древесно-кольцевых хронологий в разных подзонах тайги Средней Сибири

Для района средней тайги были получены две генерализированные хронологии: одна по кернам деревьев из участков, не имеющих послепожарных подсушин, другая - по всем измерениям дисков древесины с послепожарными подсушинами. На первом этапе были получены обобщенные хронологии по участкам и оценивалась корреляция и синхронность между -ними с целью получения генерализированных хронологий, на втором - анализировалась теснота связи полученных генерализированных хронологий. Полученные на двух массовых выборках деревьев (84 и 63 дерева соответственно)

генерализированные хронологии показывают высокую корреляцию между собой (0.80 для стандартных и 0.89 - для остаточных), высокую синхронность (82 и 87 %), близкие основные статистические характеристики (Табл.2). В хронологиях содержится общий для района внешний сигнал, не связанный с пожарами, и они могут быть использованы для дендроклиматического анализа этого сигнала. Расчет климатических функций отклика показал, что значимое влияние на изменчивость прироста оказывают температура июня (отрицательное) и осадки зимних месяцев (отрицательное), а также осадки июня (положительное). Детальный анализ позволил выявить три составляющие изменчивости прироста: 1) длительную (вековую); 2) циклические колебания со средним периодом в 42 и 21 год; 3) высокочастотную, характеризуемую остаточной хронологией. Длительные изменения прироста хорошо коррелируют с изменениями летней (май-сентябрь) температуры (14=0.58) и отрицательно - с зимними осадками (К= -0.66). Циклические изменения прироста обусловлены циклическими колебаниями увлажнения территории, косвенно оцениваемые по многолетним сглаженным данным водности притоков и р.Енисей и динамике дефицита влажности воздуха. Высокочастотные изменения практически полностью объясняются влиянием температуры и осадков июня месяца (отрицательное и положительное соответственно). Дендроклиматический анализ показал, что на прирост сосны в данном районе оказывают влияние те же климатические факторы, которые могут определять пожарную опасность в текущей и длительной перспективе: летняя температура, температура и увлажнение июня, увлажнение территории.

Хорошая согласованность обобщенных древесно-кольцевых хронологий, полученных для района нижнего течения р.Ангары, позволила объединить их и получить генерализированную хронологию. Расчет климатических функций отклика показал, что основное влияние на изменчивость прироста сосны здесь оказывают температура июля (положительное), осадки июля-августа- положительное и осадки осени предшествующего года - отрицательное. Суммарно влияние климатических условий не превышает 45 % от общей изменчивости прироста. Кроме того, проанализирована также обобщенная хронология по лиственнице из данного района исследований (имеющаяся в базе данных лаборатории дендрохронологии). Ее климатическая функция отклика показывает ведущее влияние иных климатических факторов: положительное - температура июня и положительное - зимних осадков.

Для района северной тайги были использованы результаты дендроклиматического анализа серии обобщенных хронологий и генерализированной хронологии по лиственнице, полученные И.П.Панюшкиной (1997). Анализ функций отклика четко выявил, что в данном районе изменчивость прироста на 60-70 % объясняется

изменением температуры июня-июля, при этом относительное влияние температуры июня выше, чем июля. Для данного района, как и для подзон средней и южной тайги, климатические условия, определяющие пожароопасность, оказывают и существенное влияние на прирост деревьев.

Глава 5. Изменчивость частоты пожаров в исследуемых районах таежной зоны Средней Сибири

В районе средней тайги для каждого из 19-ти участков получены обобщенные хронологии пожаров (Рис.3). Статистический анализ данных показал, что на отдельных участках зарегистрировано от 5 до 20 пожаров. Средний межпожарный интервал равен 29.5 года при колебаниях от 17.8 до 44.8 лет. В относительно более сухих сосняках лишайниковых средний межпожарный интервал несколько меньше (23.4 года), чем в сосняках зеленомошных и брусничных (31.'3 года). Вариации его во времени очень велики: от 1 года до 92 лет, и это свидетельствует, что лесной пожар - случайное событие в динамике лесной экосистемы, зависящее от ряда случайных факторов, имеющих значительную изменчивость. При более детальном анализе обобщенных хронологий пожаров, во-первых, выделяются годы, когда пожары наблюдаются на нескольких участках, во-вторых, выделяются группы лет, когда пожары отмечаются на более, чем четверти всех исследованных участков. Для данного района такие «высокогоримые» годы были 1664, 1742, 1870, 1898, 1978. Группы лет с высокой горимостью следующие: 1634-36; 166465; 1714-15; 1742; 1780; 1825-26; 1869-70; 1897-98; 1915-16; 1923-24; 1953-54; 1978.

Для объяснения наблюдаемых величин среднего межпожарного интервала была предложена вероятностная модель, основанная на предположениях, что вероятность пожара определяется тремя факторами: 1) наличием достаточного количества горючего материала; 2) соответствующими загоранию метеорологическими условиями; 3) наличием источника огня. Полагая эти факторы независимыми друг от друга, на основании ранее опубликованных работ (Фуряев, 1996; Иванов, 1996) сделана оценка каждого из них для данного района. Расчеты по модели дали оценку вероятности лесного пожара для данной территории в 3.25 за каждые сто лет, что соответствует среднему межпожарному интервалу в 30.7 года. Рассчитанные по модели оценки межпожарного интервала оказались весьма близки к наблюдаемым (29.5 года). Временная вероятностная модель дополнена пространственной моделью, с помощью которой сделана оценка минимальной доли лесов на данной территории, ежегодно повреждаемой пожарами. Для сосняков исследуемого района она составила 1/60 от территории сосновых лесов лишайниковых и брусничных типов (или 17 000 га). Полученные по моделям оценки использованы далее для расчета средней и максимальной за год повреждаемой пожарами площади сосновых лесов

годы

Рис.3. Обобщенные хронологии пожаров для исследованных участков в подзоне средней тайги (Дубчес-Касовское междуречье).

в междуречье Дубчеса и Каса. Эти оценки хорошо согласуются и с другими независимыми источниками.

Два участка в нижнем течении р.Ангары (подзона южной тайги) были выбраны в районе высокой хозяйственной активности людей за последнее столетие (вблизи крупного поселка и в долине притока Ангары, где длительное время идет добыча золота с помощью драги). На контрольных участках, где длительное влияние людей практически было исключено, средний межпожарный интервал оказался равен 33.5 года, для участков, испытывающих интенсивную антропогенную нагрузку - 10.9 года. Оказалось, что под действием антропогенного фактора частота пожаров возрастает в 3 раза. Используя эти данные и данные по ежегодному аккумулированию углерода в лесах данной подзоны (Алексеев, Бердсли, 1995) сделана оценка ежегодной эмиссии углерода от пожаров. Расчеты. показывают, что при вероятностном характере горимости и среднем межпожарном интервале в 33.5 года около 40 % ежегодно аккумулированного лесной экосистемой углерода возвращается в атмосферу вследствие лесных пожаров. В случае антропогенной нагрузки, эта величина может превысить годичное аккумулирование углерода.

Глава 6. Связь между изменением климата, приростом деревьев и

частотой пожаров в разных подзонах тайги средней сибири

В данной главе результаты дендроклиматического анализа древесно-кольцевых хронологий рассмотрены с точки зрения использования длительных хронологий годичных колец для реконструкции истории пожаров в отдельных подзонах тайги Средней Сибири.

Для исследованного района подзоны средней тайги длительные (вековые) изменения прироста значимо коррелируют (Р= 0.56) с длительными изменениями частоты пожаров, полученных по 19-ти участкам (Рис.4А). Этот результат подтверждается и данными дендроклиматического анализа, поскольку длительные изменения прироста сосны определяются длительными изменениями летней температуры, а значит, продолжительностью сезона роста и увеличением горимости. Циклические депрессии прироста хорошо совпадают с группами лет с повышенной частотой пожаров (Рис.4Б). Отмечается значимая отрицательная связь между этими внутривековыми колебаниями прироста сосны и частотой пожаров (Я = -0.48). Эта связь также подтверждает данные дендроклиматического анализа прироста сосны, поскольку циклические депрессии прироста обусловлены дефицитом увлажнения территории. Индексы прироста остаточной хронологии показывают значимую обратную связь с количеством пожаров и площадью, пройденной огнем (И= -0.78 и И—О.80 соответственно) по ежегодным данным авиалесоохраны за короткий интервал времени (13 лет). Т.е. для сосняков междуречья Дубчеса и Каса

Таблица 2.

Основные статистические характеристики генерализированных хронологий, полученных по деревьям, поврежденных и не поврежденных пожарами ( Касовско-Дубческого междуречья)

Хронология Число Годы Длитель- Станд. Коэфф. Автокорр.

деревьев ность, откло- Чувстви- 1-го

годы нение тельности порядка

Хр.1 (ЭТО) 83 1609-1993 385 0.187 0.118 0.675

Хр.1 (ЯЕЭ) 384 0.133 0.145 -0.025

Хр.2(ЗТО) 66 1471-1993 523 0.196 0.091 0.817

Хр.2 (ЯЕЗ) 521 0.111 0.113 0.116

1 - деревья без послепожарных подсушин, 2 - деревья с послепожарными подсушинами.

ИНДЕКСЫ ШИРИНЫ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ

0.9

1.3 1.2 . 1

.9

0.^

8

1600 1700 1800 1900 ¿000 1650 1750 1850 1950 годы

1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

годы

Рис.4.А: Длительные изменения прироста сосны (1) и частоты пожаров (2) для Дубчес-Касовсхого междуречья. Б: Сопоставление генерализированной древесно-кольцевой хронологии (1) с группами лет повышенной горимосги территории (2). ц

(#'*(#'*''*#+*)+)+(%%$&$&#%+$%$($+'')#+$+$($('(%(%)#&'%%(

древесно-кольцевые хронологии можно использовать для ретроспективной оценки частоты лесных пожаров. На основе выявленных связей можно полагать, что для данного района природная частота лесных пожаров и площадь, пройденная огнем, будет увеличиваться при возрастании летней температуры, увеличении засушливости июня и уменьшении увлажнения территории (в первую очередь, понижении уровня грунтовых вод).

Внутрисезонная датировка пожарных поранений позволила для данного района исследований рассмотреть многолетнюю изменчивость в сезонном распределении пожаров. Например, показано, что в 1650-1700 годы около 80 % всех пожаров отмечено в ранней древесине, в 19001950гг. число пожаров практически равномерно распределено между ранней, поздней зонами и периодом покоя. Это свидетельствует, что длительные изменения климата не только влияют на частоту пожаров, но и оказывают влияние на их сезонное распределение.

Поскольку для района северной тайги существует тесная связь между летней (июнь-июль) температурой и приростом деревьев с одной стороны (Панюшкина, Арбатская, 1998), и температурой июня-июля и пожарной опасностью с другой (Иванова, 1995), то прямые сопоставления динамики прироста лиственницы по генерализированной древесно-кольцевой хронологии с доступными многолетними данными по пожарам в Эвенкии показала, что между этими двумя величинами имеется значимая связь (Р*= 0.66), позволяющая использовать региональную древесно-кольцевую хронологию для ретроспективной оценки многолетней изменчивости частоты пожаров. По хронологии пожаров по 7-ми участкам получено значение среднего межпожарного интервала в 82 года. Связь между частотой пожаров и приростом деревьев была проверена на независимом материале, а именно, подсчете площадей гарей жаркого 1979 года по опубликованным В.В.Фуряевым (1993) для данного района и оценкой, сделанной на основе данных изменчивости прироста деревьев в 1979 году и среднего межпожарного интервала. Косвенные оценки по дендрохронологическим данным хорошо согласуются с прямыми измерениями площади лесов, поврежденной пожарами.

В анализе связи климата, прироста деревьев и частоты пожаров в районе южной тайги использовался несколько другой подход. Были сопоставлены многолетние (1970-1994 гг.) данные по количеству пожаров в Манзенском отделении авиалесоохраны с древесно-кольцевыми хронологиями по сосне и лиственницы, полученными для данного района. В изменчивости прироста лиственница более чувствительна к изменениям условий июня, а сосна - июля месяцев. Именно в эти месяцы наблюдается подавляющее количество пожаров в данном районе. Рассчитывалась регрессионная модель количества пожаров (зависимая переменная) от индексов прироста сосны и лиственницы (две

ЧАСТОТА ПОЖАРОВ, НОРМ. ЕД.

3

А

ТЕМПЕРАТУРА

а/\ / <""х ^аАААЧЛЛ/Л А

.....V'

i i i i i i i i i i i i i | i i i ) | i i i ^ i ; i i i ) i i г i

1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

ГОДЫ

Рис.5.Сопоставление длительных изменений летней температуры северного полушария (1) и реконструированной частоты летних пожаров в северной тайге (2), средней тайге (3) и южней тайге (4) Средней Сибири.

независимые переменные). Линейная модель не была адекватной (R2=0.34), однако простейшая нелинейная модель второй степени дала значимую связь (R2=0.58) и позволила использовать древесно-кольцевые хронологии для реконструкции длительных изменений частоты пожаров.

Реконструированные с помощью древесно-кольцевых хронологий и по датировке пожарных поранений длительные изменения частоты пожаров в исследованных районах тайги Средней Сибири сопоставлены (Рис.5) с длительными изменениями летней температуры северного полушария, полученной по многим косвенным источникам за последние 400 лет (Bradley, Jones, 1993). Изменения частоты пожаров в северной тайге неплохо согласуются с длительными изменениями температуры северного полушария. В средней тайге длительные изменения частоты пожаров существенно отличаются от изменений температуры северного полушария. Например, во время понижения температуры со средины 19-го до начала 20-го веков частота пожаров в данном районе была высокой. В районе южной тайги многолетние колебания частоты пожаров имеют циклическую природу (со средним периодом в 45-50 лет), но повышения температуры в конце 18-го и в середине 20-го веков увеличивало частоту пожаров в данном районе. Полученные результаты свидетельствуют, что «пожарный» ответ на глобальные изменения температуры будет во многом региональным и будет определяться соотношением тепла и влаги, особенно в течение ключевых в формировании пожарной опасности месяцев сезона.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ. [.Генерализированные древесно-кольцевые хронологии являются инструментом для реконструкции частоты пожаров в определенном районе тогда, когда их изменчивость определяется теми же климатическими факторами, что и пожароопасность.

2. Для подзоны средней тайги Средней Сибири получена длительная (525 лет - с 1472 по 1996 гг.) региональная древесно-кольцевая хронология, дендроклиматический анализ которой позволил определить основные факторы (температура июня, средняя температура месяцев май-сентябрь и колебание уровня грунтовых вод), определяющие изменчивость прироста деревьев.

3. Датировка пожаров по пожарным поранениям годичных колец для 19-ти участков в подзоне средней тайги Средней Сибири позволила построить длительную региональную хронологию лесных пожаров, оценить средний межпожарный интервал (29,5 лет), выявить и оценить вековые и внутривековые составляющие изменчивости частоты пожаров (например, увеличение горимости лесов через 42 и 21 год), установить основные климатические факторы, определяющие высокочастотную изменчивость горимости лесов.

4. Разработана вероятностная модель, описывающая изменчивость частоты пожаров на базе трех частных составляющих: климатической, запаса горючих материалов и природных источников огня. Верификация модели на независимом материале показала хорошее совпадение для расчетов среднего межпожарного интервала с экспериментальными данными.

5. Региональная древесно-кольцевая хронология для лиственничников северной тайги может быть использована для выявления периодов повышенной и пониженной горимости лесов в прошлом и прогноза длительной изменчивости пожарной опасности.

6. На примере района южной тайги показано, что для реконструкции длительных изменений пожаров можно использовать данные древесно-кольцевых хронологий по разным породам, если одна показывает зависимость роста от условий первой части сезона, вторая - от условий второй части.

7. Внутрисезонная приуроченность пожаров по данным пожарных поранений деревьев показывает изменчивость частоты пожаров в различные периоды сезона и может быть использована для прогноза наиболее пожароопасных интервалов сезона в разные по климатическим условиям периоды.

8. Антропогенная нагрузка на лесные экосистемы увеличивает частоту лесных пожаров. На примере сосны южной тайги показано, что средний межпожарный интервал в районах хозяйственной активности людей уменьшается в 3 раза (10.9 года по сравнению с фоновым - 33.5 лет).

9. Сопоставление изменений летней температуры в северном полушарии с реконструированной по древесно-кольцевым хронологиям частотой пожаров в разных подзонах тайги Средней Сибири за несколько столетий показывает, что на региональном уровне повышение температуры необязательно вызовет увеличение частоты пожаров. Так, в северной тайге можно ожидать, что с увеличением температуры частота пожаров возрастет, в средней тайге может не измениться или уменьшиться в зависимости от изменения увлажнения, в южной тайге -возрастет.

список публикаций по материалам диссертации.

1. Ваганов Е.А., Арбатская М.К. История климата и частота пожаров в центральной части Красноярского края. 1. Климатические условия сезона и распределение пожаров в сезоне. "Сибирский экологический журнал", 1996, 3(1): 9-18.

2. Ваганов Е.А., Арбатская М.К., Шашкин A.B. История климата и частота пожаров в центральной части Красноярского края. 2. Дендрохронологический анализ изменчивости прироста деревьев, климата и частоты пожаров. "Сибирский экологический журнал", 1996, 3(1): 19-28. оп

3.Арбатская М.К., Ваганов Е.А. Дендрохронологический анализ реакции прироста сосны на периодическое воздействие низовых пожаров. "Лесоведение", 1996, 6: 73-76.

4. Арбатская М.К., Ваганов Е.А. Многолетняя изменчивость частоты пожаров и прироста сосны в средней подзоне тайги Средней Сибири. "Экология", 1997, 28(5): 330-336.

5. Ваганов Е.А., Иванова Г.А., Арбатская М.К. История пожаров в сосновых лесах Средней Сибири. В кн. Мат. Междунар. конференции ООН "Лес, пожары и глобальные изменения", М., Лесная служба РФ, 1996 (в печати).

6. Vaganov Е.А., Park W-K., Arbatskaya М.К. Simulation modeling as a tool for better understanding the influence of environmental factors on seasonal growth and tree-ring structure. In: Proc. IUFRO Conf. Effects of Environm. Factors on Tree and Stand Growth (G.Wenk, ed.), Techn. Univ. Dresden, Tharant, 1996: 261-274.

7. Панюшкина И.П., Арбатская М.К. Дендрохронологический подход в исследовании горимости лесов Эвенкии. "Сибирский экологический журнал", 1998 ,5(4) (в печати).

8. Арбатская М.К. Частота пожаров в сосняках Средней Сибири в связи с региональными и глобальными изменениями климата. Тезисы докл. Конференции молодых ученых КНЦ СО РАН, Красноярск, 1997, с.18.

9. Arbatskaya М.К., Vaganov Е.А. Seasonal growth of pine and intra-annual distribution of fires: fire statistics data and seasonality of fire scars comparison. Abs. IUFRO Conf. Ecol. and Physiol. Aspects of Xylogenesis in Conifers, IF Publ., Krasnoyarsk, 1996: 27.

10. Kirdyanov A.V., Shashkin E.A., Panyushkina I.P., Arbatskaya M.K. Tree-ring growth, climate and fire frequency variability in forest ecosystems of the Yenisey transect. Abs. Workshop Spatial-Temporal Dimensions of High-Latitude Ecosystem Change (Siberian IGBP Transect), IF Publ., Krasnoyarsk, 1997: 48-49.