Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ 10
1.1. Пожары как естественный экологический фактор 10
1.2. Влияние пожаров на лесорастительные условия 13
1.3. Восстановление древостоев 15
1.4. Возобновление травяного покрова 17
ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 21
2.1. Рельеф и гидрология 21
2.2. Климат 24
2.3. Почвы 33
2.4. Растительность 36
2.5. Пожары в ленточных борах 43
ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 51
3.1. Характеристика мониторинговых полигонов 51
3.2. Методы исследований 58
ГЛАВА 4. ТИПЫ ЛЕСА И ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ 62
4.1. Основные этапы освоения ленточных боров 62
4.2. Особенности степного экотипа сосны обыкновенной 70
4.3. Лесорастительные условия 71
4.4. Эколого-ботаническая характеристика основных типов леса 74
4.5. Структура сосновых насаждений 98
ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПОЖАРОВ 103
5.1. Послепожарные изменения почв 103
5.2. Гидротермический режим 126
5.3. Распределение снежного покрова на гарях 139
5.4. Изменение освещенности 147
5.5. Экологические причины усыхания лесов 150
ГЛАВА 6. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТРАВЯНОГО ПОКРОВА НА ГАРЯХ 163
6.1. Изменение экологических условий при пожарах и устойчивость растений к огню 163
6.2. Динамика встречаемости и численности видов растений на гарях...165
6.3. Динамика биомассы 177
6.4. Влияние рельефа на скорость пирогенных сукцессии 180
6.5. Изменение соотношения экологических групп растений на гарях 186
6.6. Формирование корневых систем травянистых растений после пожара 191
6.7. Направленность пирогенных сукцессии 200
ГЛАВА 7. ЛЕСОВОЗОБНОВЛЕНИЕ НА ГАРЯХ 206
7.1. Естественное возобновление сосны обыкновенной 206
7.2. Искусственное лесовосстановление 222
7.3. Лесовосстановительные работы 225
ВЫВОДЫ 235
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 238
ПРИЛОЖЕНИЯ 268
- Пожары как естественный экологический фактор
- Рельеф и гидрология
- Характеристика мониторинговых полигонов
Введение к работе
Актуальность. Пожары - один из важнейших экологических факторов, оказывающих сильное и разностороннее влияние на условия среды и все компоненты природных экосистем. В настоящее время участившиеся пожары, в большинстве случаев антропогенного характера, оказывают серьезное воздействие на почвенный покров, растительность и животный мир, накладывая отпечаток на облик биогеоценозов и целых ландшафтов.
Влияние пожаров на лесообразовательный процесс давно является предметом изучения (Валендик, 1996; Фуряева, 1996). В литературе освещен широкий круг вопросов, касающийся изменения экологических условий с позиции последующего лесовосстановления. Полное уничтожение огнем древесного яруса, травяного покрова, лесной подстилки обусловливает повышение освещенности в горельниках (Сапожников, 1976), увеличивает проникновение осадков в почву, изменяет температурный режим почвы и приземного слоя воздуха (Фуряев, 1974), влияет на соленакопление в почвах и направленность почвообразовательного процесса (Арефьева, Колесников, 1964; Сапожников, 1976), приводит к перераспределению поверхностного и внутри-почвенного стока.
Пожары оказывают большое влияние на процессы лесовозобновления вследствие значительных изменений экологических условий на гарях (Молчанов, 1934; 1973; Шаргунова и др., 1990). Поэтому изучение восстановления лесных экосистем в экстремальных природно-климатических условиях является актуальной научной проблемой и имеет не только теоретическое, но и практическое значение при решении конкретных вопросов лесоводства и лесоведения.
Катастрофические пожары 1997 г. в ленточных борах на юго-востоке Западной Сибири обусловили необходимость проведения стационарных биологических и экологических исследований на месте крупноплощадных гарей. Наиболее сложными для восстановления лесных экосистем являются
боры, находящиеся на границе распространения сосны в степной части региона. Здесь восстановление растительного покрова происходит более медленно и сложно (Баранник, Заблоцкий, 1999; Заблоцкий, 1999а, 19996, 1999в; Ишутин, Куприянов, 1999; Куприянов, Ишутин, 1999; Заблоцкий, Баранник, 2000; Заблоцкий, Куприянов, 2002).
По инициативе Алтайского управления лесами и Алтайского государственного университета в 1998 г. были заложены четыре мониторинговых полигона на крупноплощадных гарях для изучения восстановления растительного покрова, состояния почв и животного мира. Работа выполнялась при поддержке ГУПР по Алтайскому краю, федеральных целевых программ «Интеграция», «Университеты России», «Федерально-региональное сотрудничество в сфере науки и образования».
Цели и задачи.
Целью настоящей работы является изучение динамики экологических условиях на гарях в сосновых лесах юго-востока Западной Сибири и оценка возможностей восстановления лесных экосистем ленточных боров после крупных пожаров.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Проанализировать лесорастительные условия и структуру лесонасаждений ленточных боров юго-восточой части Западной Сибири.
Изучить изменения экологических условий (свойств почв, гидротермического режима, распределения снежного покрова, освещенности) на гарях в условиях зоны сухой степи и подзоны засушливой степи.
Выявить особенности восстановления травяного покрова на гарях.
Оценить процессы естественного лесовосстановления на крупноплощадных гарях.
Дать практические рекомендации для интенсификации процесса лесовосстановления.
Научная новизна. Впервые автором проведена комплексная оценка восстановления лесных экосистем на крупноплощадных гарях с учетом ди-
7 намики экологических условий, биологических свойств лесообразующей породы - сосны обыкновенной и особенностей восстановления травяного покрова. Выявлены основные этапы восстановления лесных экосистем. Установлено, что степной экотип сосны обыкновенной устойчив в юго-западной части ленточных боров, но длительный срок естественного восстановления на фоне высокого антропогенного воздействия вызывает необходимость использования искусственного лесовосстановления с учетом комплекса конкретных лесорастительных условий. Защищаемые положения.
Лесорастительные условия, складывающиеся на гарях в ленточных борах, достаточны для успешного их восстановления в соответствии с экологическими особенностями конкретных участков.
Направленность и особенности пирогенных сукцессии в юго-западной части ленточных боров определяются их зональным расположением.
Искусственное лесовосстановление с учетом экологических условий и биэкологических особенностей степного экотипа сосны обыкновенной позволяет в более короткие сроки формировать устойчивые лесные экосистемы на гарях.
Практическая значимость. Результаты данной работы используются для лесовосстановления в юго-восточой части Западной Сибири, селекционного отбора при создании высокопродуктивных лесных насаждений, для составления плана конкретных противопожарных мероприятий с учетом биологии различных экотипов сосны обыкновенной. Рекомендации по лесовос-становлению крупных гарей внедрены в лесхозах, расположенных в юго-западной части территории Алтайского края. Результаты исследования могут быть использованы для экологического обоснования производственных работ по созданию лесных культур на гарях и сокращения затрат на лесовосстановление.
Обоснованность выводов и рекомендаций подтверждается многолетними экспериментальными данными, собранными на мониторинговых полиго-
8 нах, в естественных и искусственных лесных насаждениях. Материалы обработаны с использованием корректных методик и апробированы на производстве.
Личный вклад диссертанта. Диссертационная работа выполнена в лаборатории изучения лесных экосистем биологического факультета Алтайского государственного университета. Диссертант являлся основным исполнителем тем: «Динамика восстановления лесных экосистем после пожаров 1997 года», выполняемой лабораторией в рамках программы «Университеты России» (код рубрикатора 7.2.4; руководитель - д.б.н. А.Н. Куприянов, 2000— 2002); «Создание учебно-научного центра мониторинга «Биостанция Жили-но» ФЦП «Интеграция» (направление 2.1; руководители - д.б.н. А.Н. Куприянов, д.с.-х.н. И.Т. Трофимов, № К 0584); "Устойчивое лесопользование и лесовосстановление Южной Сибири" по программе: "Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала" (1999-2002). Соискателем разработаны практические рекомендации для ускоренного лесовосстановления на гарях в юго-западной части ленточных боров.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практической конференции «Пожары в лесу и на объектах лесохимического комплекса» (Томск-Красноярск, 1999); «Особо охраняемые природные территории Алтайского края и сопредельных регионов, тактика сохранения видового разнообразия и генофонда» (Барнаул, 1999); I Международной конференции «Проблемы лесоводства и лесовосстановления на Алтае» (Барнаул, 2001); II Международной конференции «Антропогенное воздействие на лесные экосистемы» (Барнаул, 2002); III Международной научно-практической конференции «Кулундинская степь. Прошлое, настоящее, будущее» (Барнаул, 2003); XI съезде Русского ботанического Общества (Барнаул, 2003); Межрегиональном экологическом форуме (Барнаул, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 научных работ, в том числе 2 монографии.
9 Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 306 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка и приложения; иллюстрирована 55 таблицами, 48 рисунками. Библиографический список насчитывает 356 наименований, в том числе 21-иностранных.
Пожары как естественный экологический фактор
Пожары существовали всегда. В различных типах растительности, в различные геологические эпохи они возникали от извержений вулканов, сухих гроз, разрядов молний. Это закономерное явление является неотьемлемой частью круговорота веществ и энергии на Земле (Семенова-Тяньшанская, 1957; Курбатский, 1966; Brown, Davis, 1973; Соре, Challoner, 1980; Федорова, 1980; Санников, 1981,1983; Фуряев, 1996).
Во многих случаях нахождение обширных сосновых лесов в Западной и Восточной Сибири среди темнохвойной тайги многие исследователи склонны объяснять влиянием глобальных пожаров в недавнее геологическое время (Гордягин, 1901; Боровиков, 1913; Шумилова, 1960; Побединский, 1965; Санников, 1965; Бузыкин, 1975; Работнов, 1978; Попов, 1982; Валендик, 1996; Фуряев, 1996; Фуряев и др., 2000). Возможно, пожары стали средооб-разующей ролью в начале четвертичного периода в связи с временной ариди-зацией территорий современной Евразии.
В антропогенную эпоху, особенно в раннем палеолите, за пожарами сохраняется высокая значимость как экологического фактора, имеющего большое значение для формирования облика биогеоценозов. Пожары определили типы лесов и саванн района Средиземного моря, большей части территории Африки и Европы, Австралии и Азии (Спур, Барнес, 1984).
В северной тайге пожары рассматриваются как главный фактор сохранения лиственничников. П.А. Цветков (2005) считает, что пожары являются эволюционно-экологическим фактором, обусловливающим само существование северотаежных лиственничных лесов.
Улучшение лесорастительных условий после пожаров отмечали многие исследователи (Uggla, 1967; Scotter, 1971; Braun; 1983; Payette, 1992). Пожары высокой интенсивности, напротив, могут иметь отрицательное воздействие на существование лесных экосистем (Матвеев, Матвеев, 1987). В.Г. Нестеров (1949) считает, что нарастание безлесных площадей в Бузулукском бору напрямую связано с пожарами.
Лесной пожар - это сложный комплекс физических и химических факторов, действующих катастрофически на весь ранее существующий экологический комплекс леса. Его воздействие на лесные экосистемы чрезвычайно многопланово и затрагивает все уровни экосистем (Spurr, 1964; Wright, Hein-selman, 1973; Одум, 1975).
C.H. Санников и Н.С. Санникова (1985) приводят обширную схему прямых и косвенных влияний интенсивности пожаров на основные компоненты биогеоценозов светлохвойного леса с доминированием сосны обыкновенной, включающей увеличение (уменьшение) биомассы, испарение, плотность популяции, запас семян, видовое разнообразие и т.д.
Пожар действует на древесные породы достаточно избирательно в зависимости от пирофитности конкретных пород (Санников, 1973, 1985; Цветков, 2004). Согласно исследованиям С.Н. Санникова, пирофитность - высокая огнестойкость вида к пожарам и хорошая биоэкологическая адаптация его к условиям гари. Пирофитность сосны является результатом длительного филогенеза в условиях континентального климата при частом воздействии пожаров. Пирофитность сосны заключается в высокой огнестойкости, усиленном послепожарном плодоношении, соответствии биологических свойств и биоритмов развития сеянцев в условиях повышенной минерализации на гарях, высокой численности, выживаемости и ускоренном росте самосева в первые 3-5 лет после пожара. Сосновые леса многими авторами рассматриваются как пирогенное сообщество, возникшее и существующее в результате постоянно действующих пожаров.
В.В. Фуряев (1996) относит лесные пожары к категории непериодических экологических факторов, которые в нормальных условиях в том или ином природном комплексе не существуют, а появляются внезапно.
В экологическом плане по силе воздействия на лесные экосистемы пожар не однороден. В настоящее время существует множество классификаций пожаров (Мелехов, 1948, 1985; Ткаченко 1955; Курбатский, 1962, 1970; Софронов, 1971; Ильичев и др., 2003;). Чаще всего в лесохозяйственной практике выделяют два вида: низовые и верховые. Подземные (торфяные) и стволовые пожары для ленточных боров не характерны.
Низовые и верховые пожары подразделяют на беглые и устойчивые. При беглых низовых пожарах сгорают кустарнички, подлесок и подрост, деревья повреждаются незначительно. Как правило, тут же происходит отрастание поврежденных деревьев.
Верховые пожары характеризуются горением подстилки и всех ярусов растительности вместе с кронами. При беглом верховом пожаре огонь в кронах распространяется скачками. При устойчивом верховом пожаре горение всех компонентов древостоя происходит одновременно. От верховых пожаров лесные сообщества погибают полностью, древесный ярус остается в виде сухостоя.
По данным статистики, наиболее распространены низовые пожары, составляющие 97,5-99,5% (Парамонов, Ишутин, 1999). В лесном фонде России на низовые пожары приходится 77% площадей, на верховые - 22% (Ваганов и др., 1998).
После воздействия огня образуется гарь - лесная площадь с древостоем, погибшим в результате пожара, или горельник - лесная площадь с древостоем, частично погибшим в результате пожара (Ильичев и др., 2003, ГОСТ 17.6.1.01-83 «Охрана и защита лесов»).
Рельеф и гидрология
Приобское плато располагается между Кулундинской равниной и долиной Оби. Четко выраженный уступ его возвышается над Кулундой на 50-100 м. Плато сложено песчано-глинистыми отложениями, которые покрыты лессовидными суглинками (Занин, 1958). В толще Приобского плато выделено три свиты, залегающие на нижнечетвертичных песках.
Нижняя свита представлена синевато-зеленовато-серыми глинами бо-лотно-речного происхождения. Средняя свита состоит из рыхлых неправильно и перекрестно слоистых речных песков. Верхняя часть свиты сложена бурыми лёссовидными суглинками. Суглинки содержат до девяти горизонтов погребенных почв, по которым вполне возможна реконструкция климата (Атлас..., 1978; Цимбалей, Винокуров, 1988; Гаджиев и др., 2001; Зинченко, Суторихин, 2001).
Приобское плато расчленено широкими и глубокими ложбинами. Все эти ложбины вытянуты параллельно друг другу с северо-востока на юго-запад. Ширина древних ложбин колеблется в пределах от 10 до 12 км, а глубина - от 50 до 100 м. Днища ложбин выполнены песками, поверхность которых в результате деятельности ветра приобрела бугристо-грядовой характер. В большинстве этих ложбин заложены современные реки, которые текут либо в сторону Оби (Барнаулка, Касмала), либо в сторону Кулунды (Бурла, Кулунда), где заканчиваются в бессточных озерах. Днища большей части ложбин древнего стока находятся на абсолютных высотах 200-220 м.
Большинство геоморфологов в настоящее время считают, что возникновение древних ложбин стока связано с деятельностью талых вод Алтайского ледника в период потепления. Текущие воды принесли с собой массу песчаного материала, образовавшего толщу боровых песков, заполнивших древние лощины стока. Ветровая эрозия в конце ледниковой эпохи образование сложного дюнно-бугристо-грядового рельефа, наиболее сильно выраженного в южной части.
Ленточные боры пятью параллельными полосами тянутся с северо-востока на юго-запад, занимая древние песчаные ложбины стока Объ-Иртышского междуречья, чередующиеся с лессовыми увалами (рис. 1). Они приурочены к трем основным формам рельефа: а) аллювиально-аккумулятивному с эоловой переработкой; б) равнинно-волнистому, в) аллю-виально-эрозионному.
Первая форма образовалась на тех участках, где во время таяния ледника происходила аккумуляция песчаных отложений, а после спада ледниковых вод поверхность их была изменена деятельностью ветра. Эоловые формы ал-лювиально-аккумулятивного рельефа (бугры, валы, дюны, гряды, барханы), как правило, длинной своей осью ориентированы в направлении боровых лент. Эти формы рельефа, представленные повышенными массивами, имеющими дюнно-холмистый характер поверхности, являются преобладающими в юго-западной части ленточных боров. Дюнно-холмистые формы рельефа по высоте холмов разделяются на мелко-холмистые (высота до 3 м), средне-холмистые (высота 3-7 м) и крупнохолмистые (высота более 7 м). Между холмами образуются понижения различной глубины и формы.
Равнинно-волнистые формы рельефа образовались на участках, где ледниковые воды имели ограниченное распространение. Эта форма характерна для площадей, приуроченных к границам бора со степью. Пристепная часть бора с равнинно-волнистым рельефом по мере продвижения вглубь бора сменяется мелко-холмистым и далее средне-холмистым.
Приобские боры возникли на территории аккумулятивных равнин, измененных процессами выветривания. Под воздействием эрозии они утратили первичный облик и в настоящее время характеризуются развитием аллюв-тально-эрозионных форм рельефа.
Соотношение форм рельефа на мониторинговых полигонах (Тополин-ский лесхоз) составляет в среднем: среднехолмистый рельеф - 45%, мелко- холмистый - 28,3%, равнинный - 12,5%, волнистый - 2,2, крупнохолмистый - 2,2% , комплекс грядового с крупно- и средне-холмистым - 9,8%.
Глубина залегания грунтовых вод зависит от геоморфологических и рельефных особенностей: высоты элементов рельефа и глубины залегания водоупорных глинистых прослоек. По данным Саратовской агролесомелиоративной экспедиции (Гаель и др., 1962), глубина залегания грунтовых вод колеблется в пределах от 0,9 до 17 м и ниже.
При крупнохолмистом рельефе, в неглубоких понижениях между холмами, грунтовые воды залегают на глубине 6-Ю м и ниже. На участках со среднехолмистым рельефом грунтовые воды вскрываются на глубине 2-6 м; в пониженных элементах рельефа среди мелких холмов - на глубине 2-4 м. В опушечной части бора на возвышенно-равнинных участках грунтовые воды обнаружены на глубине 4-11 м, на пониженно-ровных участках глубина залегания грунтовых вод составляет 1-2 м.
Режим грунтовых вод связан с цикличными изменениями климата, а также носит сезонный характер. В сухие годы пополнение грунтовых вод за счет атмосферных осадков происходит только в ранне-весенний период во время снеготаяния, когда создаются условия инфильтрации воды в грунт. На протяжении остального времени года наблюдается сильное понижение уровня грунтовых вод, т.к. прихода воды нет, а расход влаги на испарение через почво-грунты и транспирацию растительностью сильно возрастает. Во влажные годы суммарный годовой приход влаги в грунтовые воды повышает ее расход на транспирацию и испарение. В такие годы повышение уровня грунтовых вод наблюдается не только весной, но и осенью.
Характеристика мониторинговых полигонов
Для изучения экологических условий, складывающихся на гарях и выявление их значения для лесовосстановления ленточных боров в юго-западной части Алтайского края нами, совместно с Алтайским государственным университетом и Алтайским управлением лесами, в 1998 г. были заложены мониторинговые полигоны в эпицентре пожаров и за их пределами (контроль).
Места для полигонов выбраны в зоне сухой степи (Тополинский лесхоз, Угловское лесничество), в подзоне засушливой степи (Волчихинский лесхоз, Волчихинское лесничество), в лесостепной зоне (Бобровский лесхоз, Бобров-ское лесничество; Ларичихинский лесхоз, Средне-Инское лесничество).
Зона сухой степи
Гарь (Тополинский лесхоз, Угловское лесничество, кв.120). Угловское лесничество - самое южное в Алтайском крае и граничит с Казахстаном. Площадь квартала - 111,0 га. Всего в пределах квартала насчитывается 29 выделов. Из них 83% площади занимает сухой остепненный бор пологих всхолмлений, 7% - свежий (западинный) бор. Остальная площадь занята просеками и дорогами. Наибольшую площадь занимают сосновые леса на местообитаниях А\. Максимальный возраст сосны 150 лет, большая часть насаждений 60-90 лет, высота древостоя 17-21 м, бонитет 3-4, расположение деревьев куртинное.
Квартал расположен в эпицентре пожара 1997 г. Пожар был устойчивый, на всей площади возгорания остались только единичные деревья с сохранившейся кроной, которые усохли в последующие годы. Отмечено возобновление березы в понижениях в виде пневой поросли. Подстилка и верхний горизонт почвы (А) выгорели полностью (рис. 3, табл. 1 в приложении).
Контроль (Тополинский лесхоз, Угловское лесничество, кв. 42).
Квартал располагается на самой кромке пожара вблизи с. Угловское. Площадь составляет 85,0 га. Имеется 18 выделов, из которых 50% занимает сухой остепненный бор пологих всхолмлений, 17% - свежий бор, 5% - травяной бор. Остальная площадь занята просеками, дорогами. Наибольшей площадью представлены сосновые леса на местообитаниях Ah идентичные сосновым насаждениям на гари. В южной части квартала в августе 2000 г. случился повторный низовой пожар. Тем не менее, мониторинговой площади пожар не достиг. Гарь была обследована через месяц после пожара. Визуальный осмотр показал присутствие большого количества микромицетов.
Подзона засушливой степи
Гарь (Волчихинский лесхоз, Волчихинское лесничество, кв. 138).
Площадь составляет 125,0 га (рис. 4, табл. 2 в приложении). 23 выдела, из которых 52% - сухой лишайниковый бор пологих всхолмлений, 13% - свежий (западинный) бор, 4% - травяной бор. Остальная площадь квартала занята осоковыми и тростниковыми болотцами, просеками, противопожарным разрывом. Наибольшую площадь занимают чистые сосняки 60-130 лет. Высота древостоя 15-22 м, класс возраста 5-7, полнота насаждений 2-4. После комбинированного пожара все насаждения погибли, лишь в понижениях остались редкие усыхающие куртины.
Контроль (Волчихинский лесхоз, Волчихинское лесничество, кв. 139). Площадь составляет 124,0 га. Внутри квартала 14 выделов, из которых 78 % занято сухим лишайниковым бором пологих всхолмлений, 7 % - свежим (западинным) бором. Остальную площадь квартала занимают просеки и противопожарный разрыв. Основу древостоя составляют почти чистые сосняки, произрастающие в лесорастительных условиях А. Возраст насаждений 60-120 лет, высота 20-22 м.
