ВЛИЯНИЕ НИЗОВЫХ ПОЖАРОВ НА ПОДВИЖНОСТЬ

Экология
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Клиническая лабораторная диагностика / А.Н. Маянский, М.А. Абаджиди, И.В. Маянская [и др.]. – 2004.
– № 8. – С. 31–33.
Педиатрия / А.Н. Маянский. – 2000. – № 4 . – С. 80–88.
Рос. педиатр. журн. / А.Н. Маянский, М.А. Абаджиди, И.В. Маянская [и др.]. – 1999. – № 3. – С. 47–49.
Стоматология / Л.М. Цепов, Н.С. Левченкова, О.Н. Золаторева [и др.]. – 1999. – № 3. – С. 7–8.
Микробиология / М.Р. Хаитов. – 2002. – № 4. – С. 84–93.
J. Leukocyte Biol. / G. Godaly, G. Bergsten, L. Hang [et al]. – 2001. – Vol. 69. – Р. 899–906.
J. Leukocyte Biol. / G. Godaly, G. Bergsten, L. Hang [et al]. – 2001. – Vol. 69. – Р. 899–906.
Virchows Arch / J. Eberhard, Jepsen., M. Tiemann [et al]. – 2002. – Vol. 440. – P. 627–634.
УДК 634.92:632.187(571)
В.В. Богданов, А.С. Прокушкин, С.Г. Прокушкин
ВЛИЯНИЕ НИЗОВЫХ ПОЖАРОВ НА ПОДВИЖНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ
В ЛИСТВЕННИЧНИКАХ КРИОЛИТОЗОНЫ СРЕДНЕЙ СИБИРИ
Низовые пожары определяют существенные изменения эдафических условий в лиственничных биогеоценозах криолитозоны. После прохождения пожара наблюдается сдвиг кислотности почвы в сторону ее нейтрализации в результате пиролиза подстилки, ведущего к снижению запасов водорастворимого органического вещества (ВОВ) и повышению концентраций зольных элементов. Выявлено, что низкое по сравнению с
коренными лиственничниками содержание ВОВ в верхних органогенных горизонтах почв пирогенных сукцессий сохраняется до 25–30-летнего возраста. Существенное возрастание этих запасов в почвах на более
поздних стадиях лесовосстановления (~50 лет) обусловлено накоплением более лабильного опада сосудистых растений. По мере развития мохового яруса и формирования им специфического состава подстилки
содержание ВОВ снижается и приближается к исходному в коренных древостоях.
Ключевые слова: экосистема,органическое вещество,запасы,углерод, низовые пожары.
V.V. Bogdanov, A.S. Prokushkin, S.G. Prokushkin
THE GROUND FIRE INFLUENCE ON MOBILITY OF THE SOIL ORGANIC MATTER
IN THE LARCH FOREST OF THE CRIOLITE ZONE IN MIDDLE SIBERIA
Groundfire define essential changes of the edaphic condition of larch biogeocenosis of the creolite zone. Alteration of soil acidity towards neutralisation as a result of pyrolysis of the laying is observed after the fire. It leads to
the decrease of water-soluble organic substances in stocks and the increase of the concentration of the ash elements. It is revealed, that low content of the water-soluble organic substances in comparison with the native larch
forest in the top of the organogenic horizons of the soil pyrogenic successions remains till 25-30 age. Essential
increase of stocks of the water-soluble organic substances in soils at later stages reforestation(~50 years) is caused
by the accumulation of more labile debris of vascular plants. In the process of moss layer development and formation of the specific composition of the layer, the content of water-soluble organic substances decreases and comes
nearer to the initial in native forest stands.
Keywords: Еcosystem, organic matter, stocks, carbon, ground fire.
В связи с обширным ареалом и существенным стоком углерода бореальные леса играют значительную роль в углеродном балансе планеты [14]. Согласно различным оценкам, запасы углерода в них составляют 66–127 Пг (млрд т) в растительном материале и 135–247 Пг (млрд т) в почве, древесном и прочем опаде, что составляет 10–17% глобальных континентальных запасов углерода (2100–2200 Пг). Вместе с тем
изменения климата в высоких широтах способны коренным образом изменить поведение лесных биогеоценозов в зоне распространения многолетне-мерзлых грунтов по отношению к запасанию углерода [16]. В связи с этим существует острая необходимость детального изучения закономерностей функционирования бореальных лесов, произрастающих на мерзлоте, и их отклика на происходящие изменения.
88
Вестник КрасГАУ. 200 9. №2
Пожары – один из основных дестабилизирующих факторов естественной динамики лесов криолитозоны и бореальной зоны в целом. Они вносят существенные изменения в структуру и динамику лесных сообществ Сибири [5–6]. При воздействии пожаров коренным образом изменяются гидротермические и эдафические условия, микробиологические и биохимические процессы в почвах и, как следствие, биоразнообразие
растительных сообществ [8]. В криолитозоне пожары средней и высокой интенсивности приводят к заметному увеличению глубины сезонного оттаивания почвы, изменению режимов увлажнения и температуры [4].
Наконец, следствием лесных пожаров является их влияние на потоки углерода в региональных и глобальных масштабах, обусловленное пирогенными и постпирогенными эмиссиями углерода в атмосферу и последующим его дальним переносом. Вместе с тем существенный интерес вызывает поведение и качественные
параметры органического вещества почв, сохраняющегося после пирогенного воздействия. В данном контексте можно отметить изменения его количественных и качественных характеристик, вызванные как образованием новых соединений, так и трансформацией или селективным изъятием исходных компонентов.
В связи с этим целью данной работы явилась оценка влияния пирогенного фактора на подвижность
органического вещества почвы и его динамика в течение восстановительной сукцессии.
Объекты и методы исследований. Исследования проведены в подзоне северной тайги, в низовьях
р. Кочечум – правого притока р. Нижняя Тунгуска около п. Тура.
Леса представлены лиственницей Гмелина с преобладанием кустарниково-лишайниково-моховой группы типов леса. Для них свойственны низкорослость, тонкомерность, небольшие запасы древесины. В качестве
объектов исследования были выбраны гари 1951, 1981, 1990, 1993, 1994 и 2005 годов и соответствующие им
участки, не пройденные пожаром (контрольные коренные лиственничные насаждения). На пробных площадях
были заложены десятиметровые трансекты, где с шагом 1 м был измерен микрорельеф и далее в трехкратной
повторности заложены учетные площадки – на буграх пучения и в западинах. На выбранных элементах микрорельефа были отобраны образцы подстилки и почвы в 2-х горизонтах 0–5 и 5–10 см.
При подготовке к экстракции почву просеивали через сито диаметром 2 мм. Определение валового содержания С осуществлялось на элементном анализаторе. Содержание водоэкстрагируемого органического углерода
(ВЭОУ) в почвенных образцах проводили в водной вытяжке при соотношении 1:10 (образец : вода) по методике
И.С. Кауричева и др. [3]. Полученные растворы фильтровались через нитроцеллюлозный фильтр 0,22 мкм (Millipor). Для определения концентрации углерода в растворе использовали метод И.В. Тюрина.
Результаты и их обсуждение. Лиственничникам криолитозоны Центральной Эвенкии свойственна
высокая горимость, обусловленная климатическими условиями, присутствием мерзлоты в почвах, быстротой
достижения пожарной зрелости, сравнительно небольшим типологическим разнообразием и замедленностью процессов минерализации ОВ. Последнее обстоятельство определяет большие запасы растительных
горючих материалов на поверхности почвы, которые в сочетании с обилием кустарничков и развитым мохово-лишайниковым покровом создают предпосылки для возникновения пожаров [1]. По оценке М.А. Софронова и других (2000), в северной тайге России ежегодно 320 тыс. га покрытой лесом площади подвергаются
низовым пожарам, следовательно, пожар является главным фактором, регулирующим запас и потерю органического вещества почвы. В дополнение к непосредственным выбросам углерода в ходе горения изменения температуры и влажности почвы после пожарного воздействия являются потенциальными факторами
ускорения минерализационных потоков в послепожарный период. Последнее предопределяет выбросы
большого количества запасенного углерода в атмосферу.
В лиственничных экосистемах района исследований запасы подстилки достигают в переувлажненных
местообитаниях 10–15 кгС/м2, а в среднем для автоморфных условий они варьируют в зависимости от возраста насаждения в пределах 0,7–1,8 кгС/м2 [12]. Значительное накопление органического вещества на поверхности почвы определяет существенное поступление органических кислот выщелачиваемых из свежего
опада и в процессах его минерализации. В связи с этим почвы исследуемого региона относятся к кислым и
слабокислым, что подтверждают исследования, ранее проведенные П.А. Цветковым и другими (1998). Так,
обменная кислотность почвы в верхних минеральных горизонтах (0–5 см) коренных лиственничных ассоциаций варьирует от 3,8 до 5,6 и имеет тенденцию снижения до 4,1–5,7 на глубине 10 см. На глубине 20 см наблюдается дальнейшее повышение значений рН солевой вытяжки до 4,4–6,2 (рис 1).
89
Экология
а)
7
Контроль
Гарь
рН
6
5
4
3
0
10
20
30
40
50
60
Возраст гари, лет
б)
7
Контроль
Гарь
рН
6
5
4
3
0
10
20
30
40
50
60
Возраст гари, лет
Рис. 1. Значение рН в почве на гарях разного возраста и соответствующего контроля:
а) – горизонт 0 – 5; б) – горизонт 5 – 10
После прохождения пожара в исследованных лиственничниках наблюдается сдвиг кислотности почвы
в сторону ее нейтрализации в результате поступления в почву зольных элементов, а также снижения потока
органических кислот вследствие пиролиза мохово-лишайникового покрова и подстилки, что обсуждается
ниже. По оценке изменений кислотно-основных условий Ю.Н. Краснощековым (1994) и А.Б. Гыниновой и
другими (1999) в почвах часто отмечается смещение показателей рН от кислого к нейтральному и щелочному диапазону, так как зола нейтрализует органические кислоты. Данный процесс особенно ярко прослеживается в верхнем гумусовом 5-сантиметровом слое почвы. В нижележащих горизонтах (5–10 см и 10–20 см)
изменение реакции среды сразу после прохождения пожара не отмечается, но тенденция к снижению кислотности прослеживается на более поздних стадиях развития биогеоценозов. Вероятно, это происходит за
счет постепенной миграции щелочноземельных элементов с дождевыми и талыми водами, а также и минерализацией органического вещества. По оценке Ю.Н. Краснощекова (1994), рост значений рН в почвах после
пожара объясняется тем, что зольные водорастворимые соединения, проникая в почву, насыщают поглощающий комплекс щелочноземельными элементными и вызывают сдвиг реакции среды к нейтральному
диапазону.
На более поздних стадиях лесовосстановления (56 лет после пожарного воздействия) обменная и
водная кислотность верхнего горизонта почвы не отличаются от значений соответствующего контрольного
насаждения, что предполагает восстановление исходных характеристик: концентрации зольных элементов и
роста концентраций растворенного органического вещества. По оценке Ф.Р. Зайдельман и других (2003),
восстановление фоновых значений рН в почвах гарей объясняется выносом растворимых компонентов золы
с дождевыми и талыми водами, а также новым поступлением кислых продуктов с растительным опадом.
90
Вестник КрасГАУ. 200 9. №2
Вместе с тем в более глубоких горизонтах более высокая обменная кислотность почвы сохраняется на более продолжительном отрезке времени.
Таким образом, существенную роль в установлении тех или иных значений рН играет возраст гари.
Почвы более старых гарей имеют значения рН, близкие к фоновым, либо не отличаются от таковых [10].
Особый интерес в пирогенных ассоциациях представляет содержание почвенного органического вещества (ПОВ), как одного из ключевых компонентов цикла углерода лесного биоценоза. В результате прохождения низовых пожаров, как показал ряд исследований в бореальной зоне, ПОВ претерпевает значительные изменения количественного и качественного состава. В лабораторных условиях нами ранее показано,
что температурный фактор может оказывать значительное воздействие на содержание и подвижность почвенного органического вещества криолитозоны [13]. В природных условиях после прохождения низового пожара средней интенсивности наблюдается двукратное снижение содержания водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ) в почве c 17,7 до 9,1 г ВЭОУ/м2 (рис. 2).
а)
6
5,5
рН
5
4,5
4
2
R = 0,51
3,5
3
0
5
10
15
20
25
Содержание ВЭОУ, мгС/г
б)
6,5
6
рН
5,5
5
4,5
4
R2 = 0,16
3,5
3
0
5
10
15
20
25
Содержание ВЭОУ, мгС/г
Рис. 2. Зависимость рН от содержания органического вещества на гарях разного возраста
и соответствующего контроля: а) – горизонт 0–5; б) – горизонт 5–10
91
Экология
Данный факт, вероятно, обусловлен уничтожением значительной части органического материала, сосредоточенного в лесных подстилках, – основном источнике ВЭОУ в верхних слоях почвы. Наряду с этим
отмечается и уменьшение подвижности органического углерода почв с 12,5 до 6,8 мгС/гС почвы, свидетельствующее об изменениях его качественного состава. Это вступает в противоречие с лабораторными исследованиями, где обнаружено существенное возрастание подвижности органического углерода в диапазоне
температур 150–250оС [13]. Тем не менее зафиксированное повышение концентраций подвижного Сорг может
сопровождаться его необратимой сорбцией на минеральной матрице почвы вследствие высокой реакционной способности пирогенного органического вещества (свободно-радикальные реакции). С другой стороны, в
работе Х. Шибата и других (2003) отмечается потеря значительной части водорастворимого органического
вещества после воздействия пожара, а потому подвижность углерода на гарях существенно снижена по
сравнению с коренными насаждениями. Таким образом, сгорание органогенного слоя, как источника ВЭОУ, и
миграция и/или минерализация ранее накопленного подвижного Сорг определяют существенное снижение
его запасов в почвах. Остаточное органическое вещество, вероятно, представлено более стабильными
формами С.
К 25-летнему возрасту в насаждении, сформированном на гари, содержание водорастворимого органического вещества лишь незначительно отличается от коренного лиственничника. Этот факт свидетельствует о достаточно быстром возрастании концентраций ВЭОУ в почве по мере восстановления насаждения в
процессе постпирогенной сукцессии. К возрасту 56 лет после пожарного воздействия содержание ВЭОУ в
почве лиственничного молодняка увеличилось в более чем 2 раза с 9,9 до 21,7 г ВЭОУ/м2, что обусловлено,
вероятно, увеличением запасов лабильного органического вещества на поверхности почвы в результате
значительного поступления опада лиственницы.
Следует при этом подчеркнуть взаимосвязь количества ВЭОУ с кислотностью почвы (рис. 2). Для
верхнего гумусового слоя показано, что кислотность этого горизонта главным образом (R2=0,79, p<0,01) зависит от количества органического вещества, содержащегося в нем, а не поступлением зольных элементов
при пиролизе органического материала подстилок в исследованных экосистемах. Более того, анализ концентраций щелочноземельных металлов продемонстрировал лишь незначительное их возрастание в почве при
пирогенном воздействии. Данные наблюдения, очевидно, объясняются незначительной зольностью исходного материала (мохово-лишайникового яруса и подстилки).
Иная закономерность обнаружена для более глубоких минеральных горизонтов. Так, на рис. 2, б показана положительная зависимость между содержанием ВЭОУ и рН. Полученные данные, как предполагается,
обусловлены как изменениями качественного состава органического вещества и возрастанием положительно заряженных функциональных групп в более глубоких горизонтах почвы, так и осаждением органических
коллоидов и сорбцией ими поливалентных металлов (Са, Mg, Fe, Mn, Al), способных формировать слой с
положительным зарядом на поверхности. В результате этого процесса подвижность, как углерода, так и перечисленных металлов, снижается, что приводит к стабилизации органического вещества в почвах [15].
Таким образом, в результате воздействия пирогенного фактора на лиственничные древостои криолитозоны происходит снижение доли подвижной фракции органического вещества почвы вследствие пиролиза
мохово-лишайникового покрова и подстилки и соответственно снижения потока растворенного органического
вещества богатого карбоксильными и гидроксильными группами (низкомолекулярные органические кислоты,
фенольные соединения, фульво- и гуминовые кислоты) вниз по профилю почвы. Восстановление исходных
свойств почв проходит несколько этапов и стабилизируется на уровне коренных лиственничных биогеоценозов лишь при формировании сплошного покрова мохово-лишайникового яруса и развития подстилки со специфичным качественным составом. Согласно проведенных нами наблюдений, данный период составляет
около 80 лет.
Выводы
1. Мерзлотные почвы Центральной Эвенкии характеризуются слабокислой реакцией, что определяется поступлением значительных количеств растворенного органического вещества из органогенных горизонтов.
2. В результате сгорания органического материала, накопленного в лиственничных экосистемах в виде оторфованных подстилок, при низовых пожарах наблюдается снижение кислотности почвы в сторону ее
нейтрализации, что связано со снижением содержания в ней водорастворимого органического углерода.
Длительность пожарных изменений в физико-химических свойствах почвы прослеживается на протяжении
20–25 лет после прохождения пожара.
92
Вестник КрасГАУ. 200 9. №2
3. Накопление высоколабильного вещества опада лиственницы в насаждениях 50-летнего возраста
определяет значительное возрастание потока водорастворимого органического вещества в нижележащие
минеральные горизонты почвы и его стабилизацию в форме металл-органических комплексов. Дальнейшее
развитие мохово-лишайникового покрова приводит к восстановлению исходных свойств почв.
4. Лесные пожары являются одним из главных факторов, вызывающих потери углерода лиственничными экосистемами криолитозоны, и определяющими изменения его качественного состава вследствие пиролиза подстилок, миграции и минерализации органического вещества в послепожарный период.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Абаимов, А.П. Особенности послепожарных повреждений лиственничных лесов мерзлотной зоны
Средней Сибири / А.П. Абаимов, С.Г. Прокушкин, О.А. Зырянова // Сиб. экол. журн. – 1998. – №3 – 4. –
С. 315–323.
Брюханов, А.Н. Изменение температуры в слое порубочных остатков и почве при контролируемых
выжиганиях на вырубках в темнохвойных лесах Восточного Саяна / А.Н. Брюханов, И.В. Косов // Ботанические исследования в Сибири. – Красноярск, 2002. – Вып. 10. – С. 32–41.
Кауричев, И.С. Методы стационарного исследования почв / И.С. Кауричев, И.М. Яшин, А.Д. Кашинский. – М.: Наука, 1977. – С. 167–198.
Матвеев, П.М. Последствия пожаров в лиственничных биогеоценозах на многолетней мерзлоте: автореф. дис. … д-ра с.-х. наук / П.М. Матвеев. – Йошкар-Ола, 1992. – 49 с.
Прокушкин, С.Г. Экологические последствия пожаров в лиственничниках северной тайги Красноярского края / С.Г. Прокушкин, Н.Д. Сорокин, П.А. Цветков // Лесоведение. – 2000. – №4. – С. 11–17.
Попова, Э.П. О продолжительности пирогенного воздействия на свойства лесных почв / Э.П. Попова //
Горение и пожары в лесу. – Красноярск, 1979. – С. 110–117.
Распределение запасов органического углерода в почвах лесов России / О.В. Честных, А.И. Замолодчиков, А.И. Уткин [и др.] // Лесоведение. – 1999. – №2. – С. 13–21.
Биологические свойства почв на гарях и ход роста послепожарного возобновления в северотаежных
лиственничниках Средней Сибири / П.А. Цветков, С.Г. Прокушкин, Н.Д. Сорокин [и др.] // Лесоведение. – 1998. – №6. – С. 23–32.
Зайдельман, Ф.Р. Изменение свойств пирогенных образований и растительности на сгоревших осушенных торфяных почвах полесий / Ф.Р. Зайдельман, Д.И. Морозова, Ф.Л. Шваров // Почвоведение. –
2003. – № 11. – С.1300–1309.
Цибарт, А.С. Влияние пожаров на свойства лесных почв Приамурья / А.С. Цибарт, А.Н. Геннадиев //
Почвоведение. – 2008. – № 7. – С. 783–787.
Конард, С.Г. Дифференцированный подход к количественной оценке эмиссии углерода при лесных
пожарах / С.Г. Конард, Г.А. Иванова // Лесоведение. – 1998. – № 3. – С. 28–34.
Биомасса напочвенного покрова и подлеска в лиственничных лесах криолитозоны Средней Сибири /
С.Г. Прокушкин, А.П. Абаимов, А.С. Прокушкин [и др.] // Сиб. экол. журн. – 2006. – №2. – С 131–139.
Прокушкин, А.С. Влияние нагревания на органическое вещество лесных подстилок и почв в условиях
эксперемента / А.С. Прокушкин, И.В. Токарева // Почвоведение. – 2007. – № 6. – С.698–706.
Bonan, R. Atmosphere – biosphere exchange of carbon dioxide in boreal forests / R. Bonan, B. Gordon // J. Geophysic. Research. – 1991. – Vol.96 (D4). – P. 7301–7312.
Kalbitz, K. Contribution of dissolved organic matter to carbon storage in forest mineral soils / K. Kalbitz, K. Kaiser //
J. Plant Nutr. and Soil Sci. – 2008. – Vol.171 (1). – P. 52–60.
Krankina, O.N. Contribution of forest fires to the carbon flux of the USSR / O.N. Krankina // Proc. of the Workshop. Ecosystems (9 – 12 sept. 1991. Corollas, Ore). – Oregon state Univ. Press, 1992. – P. 179–186.
93