ХБЗ,2008, №1-2

Пироэкологические свойства сосны обыкновенной в Средней Сибири

*Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН
660036 Красноярск, Академгородок, 50; е-mail: institute@forest.akadem.ru

**ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»
660049 Красноярск, пр. Мира, 82

В обзорной статье анализируется история формирования понятий об основных пироэкологических свойствах, характеризующих устойчивость древесных пород к воздействию пирогенного фактора. Отмечается, что пироэкологические свойства необходимо рассматривать как результат адаптации к этому фактору, происходящей на фоне особенностей климата бореальной зоны, биологии и морфологии древесных пород.

Ключевые слова: сосна обыкновенная, пироэкология, огнестойкость, пожароустойчивость, пирофитность

This paper describes the development of concepts of the major woody species fire resistance as being contributed by key ecological characteristics of these species. Resistance of these species to fire is considered to be a property resting from the species long-term adaptation to fire influenced by the boreal zone climate, as well as by the woody species biological and morphological characteristics.

Проблема устойчивости и продуктивности лесных экосистем в современную эпоху лесообразовательных процессов, характеризующуюся широкомасштабной сменой древесных пород и динамичным соотношением лесных формаций, безусловно, относится к числу наиболее актуальных. Вместе с тем она чрезвычайно сложна и многогранна, поскольку аккумулирует в себе большинство вопросов лесоведения и лесной экологии. Она непосредственно сопряжена с ролью лесов в глобальных экологических процессах.
Изменение устойчивости и продуктивности лесных экосистем адекватно проявляется на их ресурсных и экологических функциях. В бореальных лесах Евразии к числу наиболее важных факторов, лимитирующих и контролирующих устойчивость экосистем, относятся пожары, перманентно воздействующие на сообщества и среду их обитания (Ваганов и др., 1996; Абаимов и др., 1996; Цветков, 1996; Фуряев, 1996а,б; Фуряев и др., 2006).
Необходимость выявления, оценки и прогнозирования устойчивости лесных экосистем к воздействию пожаров особенно актуальна в настоящее время, когда антропогенные явления на леса Евразии, Северной Америки и Австралии постоянно усиливаются. Однако глубоко осмысленная постановка пирологических аспектов проблемы устойчивости лесных экосистем появилась сравнительно недавно, в связи с чем связанные с ними понятия, принципы и методы оценки в теоретическом и прикладном значении еще не получили статуса общепринятых. В связи с этим имеется потребность вновь к ним возвратиться.
Вопросы устойчивости древесных растений к воздействию высоких температур во время лесных пожаров неоднократно рассматривались в работах зарубежных и российских исследователей. В итоге этих работ было сформулировано понятие об огнестойкости деревьев различных древесных пород как биологических видов (Мелехов, 1948; Фуряев и др., 1976; Савченко, 1978; 1982; Шешуков и др., 1978; Валендик и др., 2006). Определено понятие пожароустойчивости насаждений как совокупности деревьев в рамках типа сообщества, способной переносить тепловое воздействие (Мусин, 1973; Фуряев, 1978; Шешуков, 1984; Цветков, 2006). И, наконец, предложено понятие о пирофитности лесной формации применительно к пространственно-временной совокупности насаждений или популяций древесной породы, исторически занимающих определенный ареал в пределах лесной территории (Санников, 1973; Работнов, 1978).

Огнестойкость деревьев

Понятие «огнестойкость деревьев» подразумевает степень потенциальной устойчивости его разных частей (органов) и особи в целом к тепловому воздействию при лесном пожаре и его способности сохранять свою жизнедеятельность после него (Мелехов, 1948; Шешуков и др., 1978). С позиций аутэкологии здесь речь идет об адаптивном пирологическом свойстве отдельного организма (дерева).
Впервые и наиболее обстоятельно широкий круг вопросов, связанных с огнестойкостью хвойных пород к повреждению лесными пожарами, был рассмотрен американским профессором К.П. Дэвисом с соавторами (1959). Эти же вопросы несколько позднее анализировались российским исследователем И.Н. Балбышевым (1963). Однако им была допущена явная терминологическая путаница, поскольку «огнестойкость» древесных пород таежной зоны Сибири он рассматривал как «сравнительную пожароустойчивость». Этим же понятием он характеризовал «устойчивость к пожарам» разных типов леса южной тайги и лесостепи Западной Сибири (Балбышев, 1958).
Обстоятельные экспериментальные исследования теплозащитных свойств коры у 12 древесных пород проведены Р. Хэаром (1965). Его результаты и методика исследования критически проанализированы в работе М.А. Софронова и А.В. Волокитиной (1977), предложившими альтернативный методический прием по изучению воздействия пожара на деревья, в частности на камбий. Авторы пришли к выводам, что подсушины после низовых пожаров у сосен образуются при диаметре их стволов от 6 до 20 см. Стволы тоньше 6 см, у которых толщина коры меньше 3 мм, при пожаре погибают от кольцевого ожога камбия, а сосны диаметром свыше 20 см с корой 10-11 мм и более не получают ожогов камбия вообще. По мнению указанных исследователей основными причинами гибели сосен толще 6 см при низовых пожарах являются не ожоги камбия ствола, а огневые повреждения крон и корней. В случае исключения перегрева крон или ожога корневых лап деревья сосны диаметром 20 см и более никаких повреждений при низовых пожарах не получают.
По наблюдениям Н.Г. Васильева (1973), в лесах Дальнего Востока устойчивость березы даурской к огневым повреждениям в различных экологических условиях существенно разная. Например, в сообществах из дуба монгольского в свежих условиях местопроизрастания встречаются две формы березы даурской – с толстой и тонкой корой. В результате неоднократного воздействия устойчивых низовых пожаров тонкокорая береза, как правило, выпадает.
Исследованиями М.А. Шешукова с соавторами (1978) на основании собственных экспериментов и изучения литературных данных предложено распределение (в убывающем порядке) древесных пород Дальнего Востока по их огнестойкости. Хвойные породы: лиственница, сосна, пихта цельнолистная, кедр, ель, пихта белокорая, кедровый стланик. Лиственные породы: дуб, тополь, ольха, рябина, ильм, древовидные ивы, береза каменная, бархат, береза желтая, осина, береза белая.
По заключению А.Г. Савченко (1978), сосна крымская обладает высокой огнестойкостью при пожарах и значительной жизнеспособностью в послепожарный период. По этим качествам она превосходит другие породы Крыма, в том числе и сосну обыкновенную. В связи с высокой огнестойкостью в насаждениях сосны крымской принципиально возможно применение контролируемого огня для лесохозяйственных целей.
Устойчивость сосны обыкновенной к воздействию пожаров исследовалась на территории южной тайги Средней Сибири (Фуряев и др., 1976; Гирс, 1973). В результате этих исследований выявлены особенности теплового повреждения сосны во время пожаров и ее физиологическое состояние (Гирс, 1982).
Исследования показали, что температура прикамбиальных тканей сосны обыкновенной при низовом пожаре обусловлена толщиной коры дерева. Интенсивность теплового воздействия и его продолжительность в первую очередь отражаются на физиологическом состоянии и жизнеспособности деревьев, т.е. на их огнестойкости. Методика проведения огневых опытов на полигоне и измерения температуры на поверхности коры и прикамбиальных тканей деревьев подробно изложена ранее (Фуряев и др., 1976).
При горении слабой интенсивности температура прикамбиальных тканей деревьев при толщине коры 0,8 и 2,0 мм достигала 150-160 0С через три минуты после начала воздействия пламени. Затем она резко снижалась, поскольку при тонкой коре прикамбиальные ткани быстро охлаждались. При толщине коры 3,5 мм прогрев проходил значительно медленнее, и лишь через шесть минут температура прикамбиальных тканей достигала 100 0С, а затем медленно снижалась до 60 0С. (рис.1).

Рисунок 1 - Температура прикамбиальных тканей сосен при слабой интенсивности горения напочвенного покрова 1 (0,8); 2 (2,0); 3 (3,5) – толщина коры, мм

При горении сильной интенсивности температура прикамбиальных тканей деревьев с толщиной коры 3,5 мм через пять минут после начала воздействия пламени достигала 185 0С (рис. 2), и лишь через десять минут снижалась до 120 0С. На деревьях с толщиной коры 4,5 мм максимальная температура (165 0С) фиксировалась через шесть минут, а через 12 минут снижалась до 70 0С. Наиболее низкая температура отмечена у деревьев с толщиной коры 6,5 мм. В этом случае ее максимум (85 0С) зафиксирован через четыре минуты, а через 10 минут температура снизилась до 60 0С.
В послепожарный период характер повреждения и скорость отмирания деревьев зависят от интенсивности и продолжительности теплового воздействия. У сосен, подвергшихся воздействию температуры ниже 500С, наблюдается временное нарушение обмена веществ, которое в дальнейшем восстанавливается. Деревья после воздействия сублетальных и летальных температур (более 600С) в ближайшие два года после пожара заселяются стволовыми вредителями и отмирают в результате разрушения личинками лубяных тканей. У крупномерных деревьев заселение может проходить по местному типу, т.е. только в местах наибольшего ослабления. Отмирание деревьев происходит, как правило, при кольцевом ожоге луба и камбия. В случае же локального ожога образуется лишь пожарная подсушина, а дерево не погибает.

Рисунок 2 - Температура прикамбиальных тканей сосен при сильной интенсивности горения напочвенного покрова

Таким образом, огнестойкость деревьев сосны зависит главным образом от толщины коры, которая предохраняет ее от теплового воздействия. Величина теплового воздействия, которую выносит дерево без летального исхода, изменяется в достаточно широких пределах.

Пожароустойчивость насаждений

В отличие от «огнестойкости отдельных деревьев», понятие «пожароустойчивость насаждений» характеризует устойчивость к воздействию пожаров популяций деревьев одной породы (чистые древостои) или нескольких видов (смешанные древостои) в сочетании с кустарниковой и травянистой растительностью (кустарниковым ярусом и живым напочвенным покровом) в рамках конкретного фитоценоза. Согласно ГОСТу 17.01.83. пожароустойчивость древесных пород «…это способность деревьев или их сообществ сохранять жизнедеятельность после теплового воздействия при лесном пожаре» (с. 3). Однако такому простому и ясному понятию предшествовала достаточно длительная и сложная история его формирования. На наш взгляд, термин «пожароустойчивость насаждений» в указанном выше смысле впервые применил М.З. Мусин (1973). Он предложил рассчитывать коэффициенты пожароустойчивости древостоя, которые дают возможность еще до возникновения пожара определить количество деревьев, которые отомрут в первый год после пожара и вероятный размер отпада.
К настоящему времени применительно к сосновым насаждениям и лесным массивам сформулированы принципы и методы оценки, картографирования и повышения пожароустойчивости (Фуряев, 1978; Фуряев, Злобина, 1989; Фуряев и др., 2005). При этом выявлено шесть наиболее важных факторов, регулирующих величину послепожарного отпада: примесь лиственных и темнохвойных пород в составе сосновых древостоев; средний диаметр в древостое; густота, высота и состав подроста; количество горючих материалов. Разработаны шкалы оценки влияния каждого фактора на отпад деревьев и шкалы комплексного влияния факторов, характеризующих классы пожароустойчивости насаждений.
На примере Большемуртинского лесхоза Красноярского края показано распределение насаждений по трем классам пожароустойчивости: I (высокий, отпад деревьев после пожара средней интенсивности по запасу <25%), II (средний, отпад – 26-50%) и III (низкий, отпад >51%). Класс пожароустойчивости каждого насаждения устанавливается в результате суммирования баллов по шести вышеуказанным факторам. При сумме баллов до 6 включительно класс пожароустойчивости низкий (III), при 7-12 – средний (II), 13-18 – высокий (I) (табл.).

Как видно из таблицы, в целом по лесхозу лишь 10% площади занимают насаждения высокого класса пожароустойчивости, 43% приходится на насаждения среднего и 40% - низкого классов. Около 7% в целом по лесхозу составляют непокрытые лесом земли (вырубки, гари, пустыри), которые мы условно относим к нулевому классу пожароустойчивости. Насаждения с низким классом пожароустойчивости наиболее широко распространены в Большемуртинском (64%), Предивинском (52%) и Юксеевском (42%) лесничествах.
Оценка насаждений по устойчивости к пожарам позволяет картографировать их размещение в границах лесохозяйственного объекта и проектировать мероприятия, направленные на ее повышение.
Основной принцип повышения пожароустойчивости насаждений заключается в направленном регулировании факторов, определяющих степень повреждаемости насаждений в случае возникновения пожара. Методы повышения пожароустойчивости лесов в своей совокупности образуют систему мероприятий по очистке вырубок и ликвидации внелесосечной захламленности; регулированию запасов напочвенных горючих материалов под пологом насаждений; регулированию примеси лиственных пород при создании лесных культур и в процессе рубок ухода; регулированию строения древостоев и структуры насаждений; регулированию количества и высоты подроста, состава и густоты живого напочвенного покрова. Для планирования текущих и перспективных мероприятий по повышению пожароустойчивости разрабатываются карты пожароустойчивости насаждений на основе классификации их по степени потенциальной повреждаемости пожарами.
Пожароустойчивость насаждений и крупных лесных массивов динамична во времени и в пространстве. В связи с этим карты пожароустойчивости необходимо разрабатывать при каждом лесоустройстве той или иной территории.
Понимание пожароустойчивости насаждений в указанном выше смысле находит поддержку среди современных исследователей последствий пожаров. В этом отношении можно указать на исследования (Калинин и др., 1979), в которых изучалось влияние состава древостоя, его строения и структуры на пожароустойчивость насаждений в Марийской республике. В частности, авторы пришли к заключению, что на интенсивность и вид пожара большое влияние оказывает состав древостоя. Верховыми пожарами повреждаются только чистые древостои сосны или с участием в составе лиственных пород не более 2-3 единиц. Распространению верховых пожаров препятствуют лиственные породы, участвующие в составе насаждения в количестве 4 единиц и более. Пожароустойчивость сосновых насаждений рекомендовано повышать путем формирования второго яруса и густого подлеска из лиственных пород.
О создании сосновых насаждений пожароустойчивой структуры в условиях Крымского полуострова сообщалось в работе (Савченко, Колежук, 1977). В качестве основных факторов, направленное регулирование которых повышает устойчивость насаждений к пожарам, в этой работе указывается древесная порода, средний диаметр в древостое, густота и высота хвойного подроста.

Пирофитность сосновой формации целесообразно рассматривать с позиций синэкологии, т.е. на экосистемном уровне. Она характеризует способность этой породы сохранять и даже расширять свой ареал благодаря следующим пирогенным свойствам: высокой огнестойкости; высокой пожароустойчивости формирующихся насаждений и, что наиболее важно, способности успешно возобновляться на гарях (Санников, 1973; Санников и др., 2004). Считается, что пирофитность сосны – результат ее длительного филогенеза, протекавшего в условиях континентального климата, при частом воздействии циклических низовых пожаров, представляющих до сих пор достаточно мощный эволюционно-экологический фактор формирования среды и растительности естественных сосновых лесов. Более успешное возобновление сосны на «гаревых субстратах» прослеживается от степных боров до северотаежных и предтундровых лесов с мощным слоем грубого гумуса и близким уровнем залегания многолетней мерзлоты. Это свойство хорошо проявляется в свежих и периодически влажных сосняках зеленомошных, кустарничково-зеленомошных и мелкотравно-злаковых. Ярко выраженная пирофитность сосны предопределяет полезность, а в некоторых условиях экотопа и необходимость огневых способов содействия ее успешному возобновлению и сохранению ареала этой формации (Санников, 1973). Очевидно, что понятие о пирофитности и сам термин наиболее соответствуют такой древесной породе как сосна обыкновенная. Однако мы полагаем, что это понятие заслуживает его применения и к другим древесным породам, произрастающим, по крайней мере, на территории Евразии. Ранжирование или классификация популяций древесных пород по признаку пирофитности безусловно имеет большое теоретическое и прикладное значение и еще ждет своих исследователей. Так, в недавние годы разработано представление о пирогенных свойствах лиственницы Гмелина в северной тайге Средней Сибири как о комплексе морфологических и физиолого-биохимических адаптаций, выработанном под воздействием пожаров в процессе эволюции (Цветков, 2005). На основе четкого разграничения понятий об огнестойкости, пожароустойчивости и пирофитности этой древесной породы выработано экологическое понимание ее устойчивости к воздействию пожаров в условиях криолитозоны. Свидетельством пирофитности сосны обыкновенной в Средней Сибири является ее успешное восстановление на гарях в различных лесорастительных условиях южной и средней тайги. В этом регионе при перманентном воздействии пожаров она не только сохраняет исторически сложившийся ареал, но и расширяет его за счет местообитаний других, в частности, еловых лесов (Бузыкин, 1975; Попов, 1982; Фуряев, 1996).
В теоретическом плане оценка лесных формаций по степени пирофитности или «антипирофитности» необходима для познания причин различного отношения к пирогенному фактору формаций бореальных лесов Евразии, сформировавшегося в процессе эволюционного развития. В прикладном значении классификация формаций по степени пирофитности является совершенно необходимой для выбора стратегий управления пирогенным фактором, как фактором возобновления, формирования и продуктивности лесов. В частности, она может быть полезной при обосновании концепции использования управляемого огня в целях содействия возобновлению лесов или повышению их пожароустойчивости и продуктивности в различных подзонах тайги и зоне северных редколесий.
Четкое определение и разграничение понятий огнестойкости деревьев, пожароустойчивости насаждений и пирофитности лесных формаций является важным шагом в формировании наиболее полной и совершенной терминологии, характеризующей отношение древесных пород к пирогенному фактору. В этой связи следует отметить примеры единодушного понимания смыслового содержания рассматриваемых здесь терминов. Так, М.А. Шешуков с соавтором (1984) считает, что термин «огнестойкость» должен означать степень потенциальной устойчивости разных частей (органов) и растения в целом к тепловому воздействию при лесном пожаре и его способность сохранять свою жизнедеятельность после него. Количественной единицей при сравнительной оценке огнестойкости разных видов растений может служить плотность теплового потока (Вт/кв.м) в единицу времени, вызывающая их гибель. Под термином «пожароустойчивость» целесообразно понимать степень потенциальной устойчивости различных компонентов и фитоценоза в целом к тепловому воздействию пожара. В данном случае очевидно что смысловое содержание термина «пожароустойчивость» не притиворечит ранее предложенному (Фуряев, 1978). «Пирофитность» лесной формации, вслед за С.Н. Санниковым цитируемые исследователи (Фуряев, 1978; Шешуков, Пешков, 1984; Цветков, 2005) понимают как степень биоэкологической приспособленности древесной породы сохранять или расширять свой ареал при циклическом воздействии лесных пожаров.
К сожалению, имеются и примеры противоположного характера. Некоторые исследователи, характеризуя пироэкологические свойства древесных растений, до сих пор употребляют понятия и термины не согласующиеся с исторически сложившимися, что приводит к терминологической и, следовательно, познавательной путанице в понимании существа явлений.

Различное отношение древесных пород к воздействию пожаров на уровне организма, популяций видов и совокупностей экосистем в пределах их распространения обусловили необходимость введения понятий огнестойкость деревьев, пожароустойчивость насаждений и пирофитность формаций. Указанные пирогенные свойства древесных пород и, в частности, сосны обыкновенной, следует рассматривать как результат различной степени их адаптации к воздействию пирогенного фактора в процессе длительной эволюции, протекающей на фоне климатических особенностей территорий и биологии древесных пород.
Огнестойкость сосны обыкновенной в климатических и лесорастительных условиях Средней Сибири определяется ее биологическими особенностями и, прежде всего, морфологическим строением и толщиной коры. Пожароустойчивость разных типов сосновых насаждений обусловлена сочетанием многих лесоводственных и таксационных факторов, важнейшими из которых являются состав и средний диаметр в древостое, состав, количество и высота подроста, характер напочвенного покрова. Наиболее важным признаком пирофитности сосны является ее способность успешно возобновляться на гарях, сохраняя свое доминирование в разнообразных экосистемах обширного ареала.

Главная

Исследовательские группы

Студенту