Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение

В Сибири ежегодно регистрируются тысячи лесных пожаров, которые в экстремальные сезоны охватывают площадь до 10-12 млн. га (Conard, Ivanova, 1997). Вследствие этого лесные пожары рассматриваются как мощный и активно действующий экологический фактор современного почвообразования, оказывающий сложное и многоплановое влияние на формирование почвенного покрова лесных биогеоценозов. Под воздействием пожаров часто нарушается естественное равновесие между отдельными компонентами лесных биогеоценозов. Почва, как неотъемлемая их часть, также подвергается сложному и разностороннему пирогенному воздействию, приводящему к заметным изменениям ее важнейших свойств. Степень этих изменений и отклонения от естественных почвообразовательных процессов обычно определяется видом и интенсивностью пожара (Поздняков, 1953; Davis, 1959; Ahlgren and Ahlgren, 1960; Kozlowski and Ahlgren, 1974; Попова, 1975, 1982, 1986, 1997; Евдокименко, 1979; Стефин, 1981; Campbell and Tanton, 1981; Тарабукина, Савинов, 1990; Краснощеков, 1994, 2004; Карпачевский и др., 1996; Тарасов, 1998; Безкоровайная и др., 2005).
___________________
*Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта РФФИ № 07-04-00562 и российско-американского проекта № 05-04-476.
А.П. Сапожников (1973 а, 1973 б) на основе анализа и обобщения литературных данных выделил следующие общие черты послепожарных изменений в почве: 1) пирогенную трансформацию почв – изменение физико-химических свойств, усиление процессов минерализации органики, увеличение водорастворимых соединений, снижение кислотности, разложение алюмосиликатов, изменение гранулометрического состава, водного и теплового режимов и т.д., что является результатом прямого пиролиза подстилки и почвы; 2) пирогенную трансформацию процессов почвообразования – формирование вторичного послепожарного рельефа, обусловливающее комплексность и микрокомплексность почв, понижение уровня многолетней мерзлоты, заболачивание-разболачивание, эрозию, изменение характера аккумулятивного процесса, усиление процессов элювиирования-иллювиирования.
Однако, несмотря на отмеченные общие черты, влияние пожаров на свойства почв может быть различным, в зависимости от физико-географических условий, типа насаждений и местообитаний, первоначальных свойств почвы, а также вида и интенсивности пожара (Поздняков, 1953; Попова, 1975, 1982, 1986, 1997; Краснощеков, 1994, 2004; Безкоровайная и др., 2005). Поэтому изучение характера и степени воздействия лесных пожаров на почву уже давно привлекает внимание ученых многих стран.
Среди указанных выше общих черт пирогенной трансформации почвенных условий большое значение имеет изменение гидротермического режима, которое оказывает определяющее влияние не только на протекающие в почвах физические, химические и биологические процессы, но и отражается на росте древостоев и лесовозобновлении. Исходя из этого, задачей исследования являлось изучение почвенных условий в сосняках, пройденных низовыми пожарами. В данной работе приводятся некоторые результаты исследований температурного режима.

Объекты и методы

Исследования проводились в среднетаежных сосняках Енисейской равнины, которая является дренированным участком восточной окраины Западно-Сибирской низменности. Рельеф местности равнинный (200-300 м над уровнем моря), заболоченный, с обилием болот и озер. Лесистость территории не превышает 40 %. На дренированных террасах расположены сплошные лесные массивы. Климат района исследований прохладный и влажный. При среднегодовой температуре от –3,2 до –5,7 оС и сумме осадков 450-500 мм в год продолжительность вегетационного периода составляет около 120 дней. Несмотря на то, что наибольшее количество осадков приходится на летние месяцы, довольно часто в это время года случаются засушливые периоды. Вследствие этого, горимость лесов района исследований, среди которых преобладают сосняки, занимающие 42,5 % лесопокрытой площади, характеризуется как высокая, с многочисленными крупными пожарами (Жуков и др., 1969; Валендик, 1990).
Экспериментальный полигон расположен на правобережной части бассейна реки Тугулан, в 25 км от ее устья. Координаты участков: 60 о 38? с.ш., 89 о 41?в.д. Выбранная для проведения экспериментов площадь представляет собой окруженный болотом остров. Большую его часть занимает низкая грива, абсолютная высота которой достигает 60 м над уровнем моря, с микропонижениями в центре участка.
Произрастающие здесь сосняки представляют собою чистые по составу и простые по форме разновозрастные древостои III-IV бонитета со средним диаметром 25-30 см и высотой – 16-20 м. Тип леса – сосняк лишайниково-зеленомошный. Древостой несет следы нескольких прошлых пожаров, последний из которых в 1956 году. Под пологом имеется равномерно размещающийся подрост сосны. Его средний возраст – 20-25 лет, а высота – около 1 м. Подлесок редкий, представлен шиповником и ивой козьей. Живой напочвенный покров дифференцирован по условиям микросреды и имеет четко выраженную синузиальную структуру. Общее проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса определяется сомкнутостью крон и варьирует от 15-20 до 40 %, а высота составляет 20-35 см. Доминируют кустарнички, соотношение которых, в зависимости от условий местопроизрастания, может существенно меняться. В более дренированных экотопах преобладает брусника, в мезотрофных – черника, на участках с повышенным увлажнением – багульник, а в переувлажненных – болотные кустарнички. Проективное покрытие мохово-лишайникового покрова достигает 100 %. При этом среди мхов доминирует плеуроциум Шребера, а лишайников – кладония разных видов.
Проведенные морфологические исследования почв выявили относительно однородный и практически идентичный характер почвенного покрова всех участков полигона. Он представлен иллювиально-железистыми песчаными подзолами (Классификация и диагностика почв России, 2004), довольно широко распространенными в сосновых лесах Сибири (Ведрова, Корсунов, 1986). Эти почвы характеризуется довольно мощным профилем, отчетливо дифференцированным на следующие генетические горизонты: О (0-5 см) – Е (5-13 см) – Вf1 (13-45 см) – Вf2 (45-75 см) – Вf2С (75-95 см) – С (глубже 95 см).
В 2000-2001 гг. полигон был разбит на участки размером 200х200 м, на которых были проведены эксперименты по моделированию пожаров разной интенсивности, представляющие собой контролируемые выжигания. Все экспериментальные пожары были беглыми низовыми, но имели разную интенсивность. Поскольку в сосняках Средней Сибири низовые пожары составляют 80 % от общего количества, то смоделированные пожары можно считать репрезентативными для района исследований. Их основные характеристики и таксационные показатели древостоев на экспериментальных участках приведены в помещенной ниже таблице. Данные об интенсивности кромки и тепловыделения приведены по работе Д. Дж. Макрае с соавторами (2006).

Таблица 1 – Основные таксационные показатели сосняков и характеристика пожаров

№ участка	Характеристика сосняков			Параметры пожара
	средний диаметр, см	средняя высота, м	полнота	интенсивность кромки, кВт/м	интенсивность тепловыделения, кВт/м2	температура на поверхности, °С	глубина прогорания, см
1	25,4	16,8	0,8	9018 (высокая)	60120	1010	6,4
2	35,2	17,9	0,8	1067 (низкая)	32010	910	4,7
3	30,5	20,6	0,6	2140 (средняя)	26204	920	4,4
Контроль	26,0	20,0	0,8	–	–	–	–

Указанная глубина прогорания напочвенных лесных горючих материалов, основную часть которых в исследуемых сосняках составляют мох, лишайник и подстилка, представляет собой среднюю величину, полученную путем соответствующих измерений, проведенных на каждом участке в 80 точках. Анализ полученных значений позволяет сделать вывод о явном наличии прямой зависимости данного показателя от интенсивности тепловыделения, чего нельзя сказать о других характеристиках пожаров.
Одна из них – температура на поверхности мохово-лишайникового покрова – при всех смоделированных пожарах достигала 900-1000 ?С. Однако если при высокоинтенсивном пожаре под подстилкой она кратковременно повышалась до 150 ?С, а в минеральном слое почвы на глубине 5 см – до       50 ?С, то при пожаре низкой интенсивности аналогичные показатели составляли соответственно всего 45 и 25 ?С. Существенно большая температура, отмеченная при высокоинтенсивном пожаре на глубине 5 см, во многом объясняется их высокой теплопроводностью, обусловленной их песчаным гранулометрическим составом (Гаель, Смирнова, 1999). Полученные нами данные подтверждают результаты других исследователей (Kozlowski and Ahlgren, 1974; Campbell, 1981).
На экспериментальных участках до и после пожара измеряли мощность подстилки и с помощью рамки-шаблона определяли ее плотность, сравнивая полученные результаты с исходными показателями. Температурные наблюдения проводили с использованием различных видов термометров. Для измерения температуры поверхности почвы использовались срочный, минимальный и максимальный термометры, а на глубинах 5, 10, 15 и 20 см – комплект коленчатых термометров Савинова. Измерения температуры глубже 20 см проводили срочным термометром, устанавливаемым в почвенную скважину. Альбедо поверхности почвы измеряли альбедометром (Растворова, 1983).

Результаты

Как отмечалось, особенности пирогенной трансформации почв под воздействием лесных пожаров обусловлены различиями физико-географических условий, характером насаждений и первоначальными свойствами почвы, а также видом и интенсивностью пожара (Поздняков, 1953; Попова, 1975, 1982, 1986, 1997; Евдокименко, 1979; Стефин, 1981; Краснощеков, 1994, 2004; Безкоровайная и др., 2005). Поскольку наши экспериментальные участки и произрастающие на них насаждения близки по своим основным характеристикам, то это позволило сравнить воздействие лесных пожаров разной интенсивности на пирогенную трансформацию отдельных свойств почвы.
Проведенные после пожаров исследования показали, что наиболее сильному пирогенному воздействию подверглись живой напочвенный покров и лесная подстилка. При этом на участке 2, где пожар имел низкую интенсивность, частично сгорел мох и лишайник, мощность подстилки уменьшилась примерно на 40 % (с 5 до 3,5 см), а плотность – напротив, почти на 15 % возросла (с 0,07 до 0,08 г/см3). Примерно в той же мере трансформировалась и подстилка на участке 3, где пожар был средней интенсивности. На участке 1 высокоинтенсивный пожар практически полностью уничтожил живой напочвенный покров и значительную часть подстилки, в результате чего ее мощность сократилась почти на 80 %, а плотность возросла более чем на треть.
Отмеченное пирогенное уплотнение подстилки обусловлено двумя причинами. Во-первых, при беглых пожарах в основном сгорают верхние наиболее рыхлые слои подстилки (Аткин, Аткина, 1985), а, во-вторых, в нее поступают такие более плотные компоненты, как частицы угля и золы, о чем можно судить по значительному, в среднем двукратному (с 20 до 45 %), увеличению её зольности (Безкоровайная и др., 2005).
Указанные изменения основных параметров подстилки вызывают увеличение ее теплопроводности, а темный цвет поверхности выжженных участков обусловливает существенное (с 18-20 до 10-13 %) снижение альбедо. В сочетании с усилившейся из-за воздействия огня на древостой и живой напочвенный покров инсоляцией это заметно отразилось на температурном режиме почвы и, прежде всего, ее поверхности.
Так, через два года после пожара на участке 1 и 2 и через год на участке 3 максимальная температура поверхности почв достигала 44-55 ?С, тогда как на контроле – 28-36 ?С. Если учесть, что проростки и хвоя сосны погибают при пятиминутном воздействии на них температуры 54-57 ?С (Гирс, 1982), то столь высокий нагрев поверхности гарей может быть губительным для появившихся после выжиганий многочисленных всходов этой породы.
Ю.Н. Краснощеков (1994, 2004), изучавший температурный режим горных дерново-таежных почв в пройденных пожарами лиственничниках Монголии, акцентирует внимание только на увеличение прихода тепла на поверхность. Данные Ю.В. Беховых с соавторами (2002), проводивших аналогичные исследования в сгоревших ленточных борах Алтая, также указывают на значительное (в 2-3 раза) возрастание положительных тепловых потоков в профиле дерново-подзолистых песчаных почв. Однако, согласно закону Кирхгофа, более темная после пожара поверхность экспериментальных участков не только сильнее нагревается в дневные часы, но и активнее излучает тепло ночью (Косарев, 2002). К тому же, на участке 1 этот эффект усиливался гибелью древостоя, кроны которого ранее ослабляли излучение почвы. По этой причине здесь был зафиксирован абсолютный минимум температуры поверхности – всего 2,4 ?С. В целом же значения минимальных температур на пройденных огнем участках (2,4-6,5 ?С) в 1,5-2 раза уступали аналогичным показателям контроля (4,5-10 ?С). На подобную тенденцию также указывали в своих работах Ю.Н. Краснощеков (1994, 2004) и Ю.В. Беховых (2002).
Таким образом, после прохождения огня температурный режим поверхности гарей становится более контрастным, что может оказать негативное влияние на процессы их естественного возобновления. В то же время, учитывая недостаток тепла в исследуемых песчаных подзолах, как положительный момент следует отметить более высокие (в среднем на 1,5-2 ?С) значения их температур на пройденных пожаром участках. Это наглядно отражают представленные на рисунке термоизоплеты.

Рисунок – Температура почвы сосняков лишайниково-зеленомошных через 1-2 года (июль 2002 г.) после пожаров различной интенсивности: а – высокой, б – средней, в – низкой, г – контроль

Характер их расположения указывает на лучшее прогревание почвы гарей, особенно на участке 1, где, из-за гибели древостоя после пожара высокой интенсивности, инсоляция была максимальной. При этом увеличение температуры проявляется до глубины, превышающей 10-40 см, указываемые Ю.Н. Краснощековым (1994, 2004) для горных дерново-таежных почв лиственничников Монголии, пройденных низовыми пожарами. Анализируя ход термоизоплет, можно с большой вероятностью предположить, что благодаря высокой теплопроводности исследуемых песчаных подзолов (Гаель, Смирнова, 1999), их лучшее прогревание проявляется до глубины около 1 м. Примерно до такой глубины наблюдали увеличение температуры почв гарей в сосняках Забайкалья и Алтая  М.Д. Евдокименко (1979) и Ю.В. Беховых (2002).
Лучшее прогревание минеральных слоев почвы на гарях наблюдалось и в дальнейшем, что наглядно отражают результаты температурных наблюдений 2004 и 2005 годов (табл. 2).

Таблица 2 – Средние значения температуры почвы (числитель – в первой декаде августа 2004 г., знаменатель – в первой декаде июля 2005 г.)

Глубина, см	Номера участков			Контроль
	1	2	3
0	23,9/19,1	20,4/19,1	23,8/18,0	16,7/16,8
5	14,4/17,7	16,1/17,2	15,8/15,5	13,4/14,2
10	14,2/17,3	15,2/16,6	15,3/15,2	13,4/14,1
15	14,1/16,8	15,0/16,2	14,8/15,1	13,2/14,0
20	14,0/16,4	15,3/16,2	14,4/15,0	12,8/13,8
30	15,0/16,0	16,1/16,1	14,3/14,9	12,5/13,5

Выводы

1. Температурный режим почв в насаждениях, пройденных низовыми пожарами, существенно изменяется. Это обусловлено пирогенной трансформацией компонентов лесного биогеоценоза, оказывающих существенное влияние на процессы теплообмена между атмосферой и почвой.
2. В однородных лесорастительных условиях степень изменений температурного режима почв во многом определяется интенсивностью пожаров.
3. Последствия этих изменений нельзя оценить однозначно. С одной стороны, более контрастный температурный режим поверхности гарей затрудняет их естественное возобновление, а с другой – лучшее прогревание почвы способствует активизации многих важных почвообразовательных и физиологических процессов.
Библиографический список

Аткин, А.С. Запасы напочвенных горючих материалов в сосняках [Текст] / А.С. Аткин, Л.И. Аткина // Лесные пожары и их последствия: сб. ст. – Красноярск: ИЛиД, 1985. ? С. 92-101.
Безкоровайная, И.Н Пирогенная трансформация почв сосняков средней тайги Красноярского края [Текст] / И.Н. Безкоровайная, Г.А. Иванова, П.А. Тарасов, А.В. Богородская // Сибирский экологический журнал. – 2005. ? № 1. ? С. 143-152
Беховых, Ю.В. Влияние лесных пожаров на гидротермический режим дерново-подзолистых почв сухостепной зоны Алтайского края [Текст] / Ю.В. Беховых // Антропогенное воздействие на лесные экосистемы: тезисы докладов II Межд. конф. (18-19 апреля 2002 г.) – Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та, 2002. – С. 139-142.
Беховых, Ю.В. Особенности теплоаккумуляции и теплообмена в дерново-подзолистых почвах на гарях сухостепной зоны Алтайского края [Текст] / Ю.В. Беховых [и др.] // Антропогенное воздействие на лесные экосистемы: тезисы докладов II Межд. конф. (18-19 апреля 2002 г.) – Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та, 2002. – С. 142-145.
Валендик, Э.Н. Борьба с крупными лесными пожарами [Текст] / Э.Н. Валендик. – Новосибирск: Наука, Сиб. Отд-ние, 1990. – 193 с.
Ведрова, Э.Ф. Миграция водорастворимых продуктов в почвах сосновых лесов [Текст] / Э.Ф. Ведрова, В.М. Корсунов // Почвы сосновых лесов Сибири: сб. ст. – Красноярск: ИЛиД, 1986. – С. 24-33.
Гаель, А.Г. Пески и песчаные почвы [Текст] / А.Г. Гаель, Л.Ф. Смирнова. – М.: ГЕОС, 1999. – 252 с.
Гирс, Г.И. Физиология ослабленного дерева [Текст] / Г.И. Гирс. ? Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1982. ? 154 с.
Евдокименко, М.Д. Микроклимат древостоев и гидротермический режим почв в сосновых лесах Забайкалья после низовых пожаров [Текст] / М.Д. Евдокименко // Горение и пожары в лесу: сб.ст. – Красноярск: ИЛиД, 1979. – С. 130-140.
Жуков, А.Б. Леса Красноярского края [Текст] / А.Б. Жуков [и др.] // Леса СССР – М.: Наука – 1969. – С. 248-320.
Карпачевский, Л.О. Лес, почва и лесное почвоведение [Текст] / Л.О. Карпачевский [и др.] / Почвоведение. ? 1996. ? №5. ? С. 587?598.
Классификация и диагностика почв России [Текст] / Л.Л.Шишов [и др.]. – Смоленск: Ойкумена, 2004. – 342 с.
Косарев, В.П. Лесная метеорология с основами климатологии: учеб. для вузов [Текст] / В.П. Косарев. ? СПб.: ЛТА, 2002. ? 264 с.
Краснощеков, Ю.Н. Влияние пожаров на свойства горных дерново-таежных почв лиственничников Монголии [Текст] / Ю.Н. Краснощеков // Почвоведение. ? 1994. ? №9. ?  С. 102-109.
Краснощеков, Ю.Н. Почвозащитная роль горных лесов бассейна озера Байкал [Текст]/ Ю.Н. Краснощеков. ? Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. ? 224 с.
Поздняков, Л.К. Влияние беглых низовых пожаров на режим влажности и температуру почвы [Текст] / Л.К. Поздняков // Лесное хозяйство. ? 1953. ? №4. ? С. 62-63.
Попова, Э.П. Влияние низовых пожаров на свойства лесных почв Приангарья [Текст] / Э.П. Попова // Охрана лесных ресурсов Сибири: сб. ст. ? Красноярск: ИЛиД, 1975. ? С. 166-178.
Попова, Э.П. Влияние пожаров на пестроту почвенного покрова в сосновых насаждениях [Текст] / Э.П. Попова // Почвы сосновых лесов Сибири: сб. ст. ? Красноярск: ИЛиД, 1986. ? С. 63-70.
Попова, Э.П. Пирогенная трансформация свойств лесных почв Среднего Приангарья [Текст] / Э.П. Попова // Сибирский экологический журнал, 1997. ? №4. ? С. 413-418.
Попова, Э.П. Экологическая роль пожаров в почвообразовании [Текст] / Э.П. Попова // Почвенно-экологические исследования в лесных биогеоценозах / В.Н. Горбачев [и др.]. – Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1982. – С. 119-174.
Растворова, О.Г. Физика почв (практическое руководство) [Текст] / О.Г. Растворова. ? Л.: ЛГУ,1983. ?196 с.
Сапожников, А.П. О некоторых аспектах геохимии пирогенных геосистем [Текст] / А.П. Сапожников // Типологические аспекты изучения поведения веществ в геосистемах: сб. ст. ? Иркутск, 1973. ? С.208-209.
Сапожников, А.П. О роли пирогенных процессов в формировании лесных биогеоценозов [Текст] / А.П. Сапожников // Итоги научных исследований по лесоведению и лесной биогеоценологии: сб. ст. ? М., 1973 ? С.32-34.
Стефин, В.В. Антропогенные воздействия на горно-лесные почвы [Текст] / В.В. Стефин. ? Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1981. ? 169 с.
Тарабукина, В.Г. Влияние пожаров на мерзлотные почвы [Текст] / В.Г. Тарабукина, Д.Д. Саввинов. – Новосибирск: Наука, 1990. – 120 с.
Тарасов, П.А. К вопросу о влиянии лесных пожаров на свойства почв [Текст] /  П.А. Тарасов // Профилактика и тушение лесных пожаров: сб. ст. – Красноярск: ВНИИПОМлесхоз, 1998. ? С. 232-236.
Ahlgren, I.F. Ecological effects of forest fire / Ahlgren I.F., Ahlgren С.Е. // Botanical Review, 26 (4), 1960. – Р. 484-533.
Campbell, A.J. Effects of fire on the invertebrate fauna of soil and litter of a eucalypt forest / Campbell A.J., Tanton M.T. // Fire and Australian biota (A.M. Gill, R.H. Groves, I.R. Noble, eds.). – Canberra: Australian Academy of Science, 1981. – Р. 217-242.
Conard, S.G. Wildfire in Russian boreal forests-potential impacts of fire regime characteristics on emissions and global carbon balance estimates / Conard S.G., Ivanova G.A. // Environmental Pollution, 1997, v. 98, № 3. ? Р. 305-315.
Davis, K.P. Forest fire: control and use. ? New York –Toronto – London: McGraw-Hill Book Co. Inc. 1959. ? 584 p.
Kozlowski, T.T. Fire and ecosystems / Kozlowski T.T., Ahlgren C.E., editors Academic Press, New York-San Francisco-London, 1974.
McRae, D. J. Variability of Fire Behavior Fire Effects and Emissions in Scotch Pine Forests of Central Siberia / McRae D. J. et al. //Mitigation and Adaptation Strategies for Global Cnange. 2006 ? Vol. 11 № 1. – Р. 45-74.