Трансформация фитомассы в светлохвойных насаждениях нижнего приа

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

Красноярск – 2013

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 техноло-                                                    гический университет», доцент кафедры лесной                                                     таксации, лесоустройства и геодезии

Ведущая организация:              Федеральное государственное бюджетное образователь-                                                     ное учреждение высшего профессионального образо-                                                     вания «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_[email protected]

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

  

Автореферат разослан « » 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 (Innes, 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 (McRae et 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), Н.Н. 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. Древостои 10С 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 25х20 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 (Вlank, Simard, 1983; McRae et al., 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 А.В. 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 8-20 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) г)

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 – 9-14 %, шишек – 16-26 %, ветоши трав – 3-7 %.

Таблица 3.2

Запас напочвенного покрова в светлохвойных насаждениях Нижнего Приангарья, т/га

Учас-ток

Травы и кустарнички

Опад

Ветки и валёж

Мхи и лишайники

Подстилка



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | ... | Вперед → | Последняя | Весь текст