Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-географические условия Сихотэ-Алинского заповедника 9
1.1. Географическое положение 9
1.2. Рельеф 10
1.3. Климат 12
1.4. Гидрография 13
1.5. Почвы 14
1.6. Растительность 18
1.7. Животный мир 36
Глава 2. История изучения гарей в заповеднике 40
Глава 3. Объекты и методика исследований 45
3.1. Объекты исследований 45
3.2. Методика исследований 49
Глава 4. Условия возникновения, причины и динамика лесных пожаров (Лесопожарная характеристика заповедника) 53
4.1. Условия возникновения лесных пожаров 53
4.2. Причины возникновения лесных пожаров 71
4.3. Динамика лесных пожаров 72
Глава 5. Изменение структуры растительного покрова Сихотэ-Алинского заповедника под влиянием лесных пожаров за последние 30 лет 79
Глава 6. Пирогенная трансформация растительности в основных лесных формациях заповедника 92
6.1. Пирогенная трансформация дубовых лесов 92
6.2. Пирогенная трансформация кедровых лесов 97
6.3. Пирогенная трансформация зарослей кедрового стланика 109
6.4. Пирогенная трансформация каменноберезников ПО
6.5. Пирогенная трансформация пихтово-еловых лесов 111
6.6. Пирогенная трансформация кедрово-еловых лесов 115
Глава 7. Послепожарные сукцессии в кедровых и кедрово-широколиственных лесах 121
7.1. Послепожарная сукцессия в кедровнике с лиственницей, дубом и темнохвойними породами мелкотравно-осочковом 121
7.2. Послепожарная сукцессия в кедровнике с лиственницей, дубом и темнохвойними породами рододендроново-мелкотравно-зеленомошного 133
7.3. Послепожарная сукцессия в кедровнике с дубом лещинового-леспедецевом осочковом 143
7.4. Послепожарная сукцессия в кедровнике с липой, березой желтой и темнохвойными породами лещинно-чубушниковом разнотравно-осоковом 152
Глава 8. Классификация гарей Сихотэ-Алинского заповедника 163
Выводы 173
Литература 176
Приложение 1 Список принятых в таблицах сокращений 190
Приложение 2 Список сосудистых растений встреченных на гарях Сихотэ-Алинского заповедника 191
Введение к работе
Актуальность работы
Рост числа и площади лесных пожаров в конце XX и начале XXI веков на
Дальнем Востоке РФ и в России в целом (Valendik, 1996; Ivanova, 1996; Sukhinin, 2003; Голдаммер, Сухинин, Чисар, 2004; Астафьев, Дуняшенко, Дюкарев и др., 2005) на фоне изменения глобального и региональных климатов (Stocks et al., 1998, 2000; Flanigan and Wotton, 2001; Громыко, 2006;) приобретает катастрофические масштабы. Это приводит к кратному снижению биологической продуктивности, потери биоразнообразия, трансграничным переносам продуктов горения, смене вековых путей миграций перелетных птиц, наземных и водных животных, созданию условий для проявления массовых вспышек насекомых, изменению региональных и глобального климатов, углеродного цикла и к другим негативным процессам (Голдаммер, Сухинин, Чисар, 2004; Ефремов, Швиденко, 2004; Шлотгауэр, 2005; Крюкова, 2005; Соколова, Тетерятникова, 2003, 2005). Все это определило осуществление нескольких международных комплексных исследовательских проектов, направленных на формирование четкого и целостного представления о прошлой, настоящей и будущей роли пожаров на региональном и глобальном уровнях (Голдаммер, Сухинин, Чисар, 2004). Особое значение в таких мониторинговых исследованиях имеют биосферные заповедники, в том числе и Сихотэ-Алинский, как эталонные участки биоты в различных природных зонах страны и мира.
В Сихотэ-Алинском заповеднике несмотря на то, что лесные пожары являются естественноисторическим экологическим фактором, сформировавшим современный облик биогеоценотического покрова заповедника, резкое увеличение их числа природного и особенно антропогенного происхождения в последние годы (Громыко, Смирнова, 2003; Громыко, 2004, 2006) вызывает тревогу за сохранность не только редких и уникальных природных сообществ и видов, но и пока еще широко представленных в нем коренных экосистем, и естественный ход их развития.
Современное управление пожарами не возможно без знания условий и причин их возникновения, динамики и учета послепожарных экологических последствий, получения разносторонней оценки современного состояния экосистем заповедника
5 и тенденций их динамики, понимания их роли в сохранении биоразнообразия на всех уровнях, в т.ч. на видовом и экосистемном. Это обусловило необходимость проведения многолетних стационарных исследованиях послепожарной сукцессии, особенно ее начальных стадий в Сихотэ-Алинском биосферном заповеднике.
Цели и задачи исследования
Цель данной работы - выявить роль лесных пожаров в формировании
современного облика биогеоценотического покрова заповедника и долговременные экологические последствия их воздействия на его лесные экосистемы. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
Исследование причин и условий возникновения лесных пожаров на территории заповедника.
Выявление сезонной и многолетней динамики пожаров в разных частях заповедника.
Установление связи числа и площади лесных пожаров с факторами среды (климат, экспозиция и крутизна склонов, высота над уровнем моря) и растительностью.
Изучение степени воздействия лесных пожаров разных типов и интенсивности на лесные экосистемы заповедника за последние 30 лет.
Выявление закономерностей в послепожарных преобразованиях лесных экосистем в ходе восстановительных сукцессии.
Защищаемые положения
1. Изменение регионального климата (рост температуры приземного слоя
воздуха, особенно в теплый период года, уменьшение количества осадков, рост повторяемости лет с аридными и семиаридными периодами) при росте антропогенной нагрузки на лесные экосистемы за последние 30 лет вызвало рост числа и площади лесных пожаров в центральном Сихотэ-Алине, что привело к нарушению сложившейся естественной динамики лесов, многократно превысив предельно допустимый ежегодный естественный (природный) уровень горимости лесных формаций.
2. Для большинства коренных лесов заповедника это приводит к резкому
уменьшению их доли в составе его растительного покрова и росту необлесенных
гарей, россыпей и молодняков из мелколиственных пород и лиственницы. На
значительных площадях во вторичных лесах пожарами задерживается
восстановление кедра, ели и пихты. Лесные пожары наибольшую угрозу несут редким и уникальным не только для заповедника, но и для всего дальневосточного региона, растительным сообществам.
3. Повторные пожары, с периодичностью значительно ниже срока прохождения полного цикла развития коренных фитоценозов после воздействия пожара и достижения ими пожарной зрелости, вызывают на территории заповедника постпирогенные сукцессии по дигрессионному типу и приводят к увеличению площадей каменных россыпей, луговых сообществ и кустарниковых зарослей.
Научная новизна
1. Впервые для экосистем разных растительных формаций Центрального
Сихотэ-Алиня проанализированы факторы, определяющие степень пожарной опасности, вид лесного пожара, скорость его распространения и интенсивность горения (тип, наличие, запас горючих материалов, экспозиция и крутизна склонов, высота над уровнем моря, климатическая составляющая), а также причины возникновения пожаров во времени и в зависимости от удаленности от границ заповедника, определены сроки и продолжительность пожароопасного периода, выявлены сезонная и погодичная динамика лесных пожаров.
Установлено, что за последние 30 лет в заповеднике лесные пожары существенно изменили структуру лесного покрова и нарушили естественную динамику лесов заповедника. Значительный ущерб был нанесен девственным лесам, а также редким и уникальным растительным сообществам не только для заповедника, но и для всего дальневосточного региона России. Получены данные по трансформации лесных экосистем под воздействием разных типов пожаров.
Впервые описаны первые этапы послепожарной сукцессии для экосистем разных высотных поясов. Многолетние наблюдения на постоянных площадях позволили определить направление лесообразовательного процесса в лесных экосистемах заповедника при различной степени повреждения структуры фитоценоза лесным пожаром. Выявлена роль повторных пожаров в процессе лесовосстановления.
Установлено, что в отличие от начала XX века, во второй половине XX века и начале XXI века гари охотского типа преобладают над гарями маньчжурского типа.
7 5. Дана классификация гарей заповедника по сходным господствующим биоморфам, оказывающим наиболее сильное влияние на возобновление лесообразующих пород, и основным ценообразующим видам.
Апробация работы
Результаты работы были представлены на Всесоюзной конференции
«Экологическая роль горных лесов» (г. Бабушкин, 1986 г.), III Дальневосточной конференции по заповедному делу (г. Владивосток, 1997 г.), Конференции по мониторингу сообществ на гарях и управлению лесными пожарами в заповедниках РФ (Окский заповедник, 2000 г.), V Дальневосточной конференции по заповедному делу, посвященной 80-летию со дня рождения академика РАН А. В. Жирмунского (г. Владивосток, 2001 г.), Международной конференции «Леса Евразии в третьем тысячелетии» (г. Москва, 2001 г.), 7 рабочем совещании восточно-азиатских биосферных заповедников ЮНЕСКО-МАБ (п. Терней, 2001 г.), Совещании «Мониторинг растительного покрова в заповедниках российского Дальнего Востока» (г. Владивосток, 2002 г.), VI Дальневосточной конференции по заповедному делу (г. Хабаровск, 2003 г.), Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию со дня образования Сихотэ-Алинского государственного заповедника (п. Терней, 2005 г.), Научно-практической конференции по изучению влияния климата на экосистемы особоохраняемых территорий юга Дальнего Востока (Хабаровск, 2005), Научно-практической конференции, посвященной 70-летнему юбилею Лазовского заповедника (п. Лазо, 2005), VII Дальневосточной конференции по заповедному делу (г. Биробиджан, 2005 г.).
Благодарности
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю работы
д.б.н. Б. С. Петропавловскому. Благодарю сотрудников заповедника Е. А. Смирнову, Г. П. Аверкову, Л. Т. Громыко, Н. И. Лабецкую за помощь в закладке и описании постоянных пробных площадей. Выражаю благодарность д.б.н. А. В. Галанину и к.б.н. Е. А. Пименовой за ценные советы при обработке материала и написании данной работы. Мы признательны сотрудникам Тихоокеанского института географии ДВО РАН С. М. Краснопееву и А. А. Мурзину, за предоставленные в наше распоряжение космические снимки территории заповедника, Российскому отделению WWF, Обществу по сохранению диких
8
животный США (Wildlife Conservation Society), оказавшим в разные годы
финансовую помощь при создании ГИС заповедника.
Рельеф
Значительный ущерб заповеднику принесло сокращение его площади в 1951 г., когда его территория была сокращена более чем в 10 раз. После увеличения его территории в 1961 г. до 310,1 тыс. га, в заповедник были возвращены уже частично измененные хозяйственной деятельностью и лесными пожарами лесные экосистемы.
В настоящее время площадь Сихотэ-Алинского государственного природного биосферного заповедника составляет 401 428 га, из которых 2 900 га морской акватории.
Заповедник расположен в центральной части Сихотэ-Алиня, обширной горной системы, вытянутой вдоль побережья Японского моря от Уссурийского залива на юге до устья реки Амур на севере. Он имеет выход на побережье Японского моря, от устья р. Б. Инакова на юге до устья ключа Уполномоченного на севере (бухта Русская), исключая бухту Терней (устье р. Серебрянки). Морская акватория заповедника вытянута вдоль побережья полосой шириной в 1 км. Направление берега северо-восточное, почти прямолинейное или извилистое. Небольшие бухты обычно широко (до 2 км) открыты со стороны моря и неглубоко (до 3 км - бухта Джигит) вдаются в сушу. Большинство бухт являются продолжением впадающих в них рек и представляют собой остатки эстуариев. Он состоит из двух неравнозначных по площади участков: основной части и урочища Абрек (рис. 1). Его географические координаты: основная часть в.д. 135 48 46" - 136 34 23", с.ш. 44 4943" - 45 4Г25", центр - в.д.136 10 48", с.ш.45 15 05"; урочище Абрек в.д. 136 4044" - 136 46 51", с.ш. 45 02 53" - 45 09 38", центр - в.д.136 43 39", с.ш.45 05 55".
Заповедник находится в пределах Сихотэ-Алинской горной области, которая является частью Амуро-Приморской страны (Физико-географическое районирование СССР, 1968). Его территория расположена на стыке трех провинций: Центрально-Сихотэ-Алинской, Западно-Сихотэ-Алинской и Восточно-Сихотэ-Алинской. По площади преобладают две последние провинции (Юг Дальнего Востока, 1972).
Сихотэ-Алинь на всем своем протяжении, особенно в центральной части, состоит из многочисленных, сложно переплетающихся горных гряд и возвышенностей со средней высотой 800 м над уровнем моря (н.у.м.). Характерная особенность рельефа Сихотэ-Алиня в целом - морфоструктурная асимметрия с пологими и широкими западными склонами и короткими обрывистыми восточными. Соответственно различны уклоны русел рек, с различной интенсивностью проявляется эрозионная деятельность. В пределах западного склона вершины имеют округлые очертания и нередко плоские поверхности водоразделов, на восточном - водораздельные гребни резко очерчены, склоны очень круты и в верхней части, как правило, выпуклы.
По В.В.Никольской (1982) заповедник находится в пределах геоморфологической области, именуемой Сихотэ-Алинской складчатой областью, для которой характерны средневысокие и низкие сводовые интрузивные горы и вулканические плато системы Сихотэ-Алинь. В рельефе района выделяются следующие высотные уровни (Ветренников, 1976) (рис.2):
1. Водораздельный уровень средневысоких гор с абсолютными высотами 700-1200 м н.у.м.;
2. Водораздельный уровень низкогорья с абсолютными отметками 300-500 м н.у.м.;
3. Уровень холмисто-увалистых предгорий с абсолютными высотами 100-200 м н.у.м.;
4. Речные и морские террасы современной гидрографической сети с максимальными превышениями 60-70 м н.у.м.
Максимальная высота заповедника - 1598 м н.у.м. (г. Глухоманка). Самой низкой формой рельефа являются современные речные террасы, представленные низкой (0,5-1,5 м) и высокой (1,5-2 м) поймами над уровнями рек. Далее следуют морские террасы (2-Ю м).
История изучения гарей в заповеднике
Влияние лесных пожаров на уникальную растительность юга Дальнего Востока привлекало внимание уже первых исследователей этого района России. На значительное их распространение указывали Н. М. Пржевальский (1870), А. Ф. Будищев (1898), В. К. Арсеньев (1912) и другие. В. Л. Комаров в своих работах по структуре растительности Южно-Уссурийского края отмечал значительную гибель первичной тайги под воздействием пожаров и широкое формирование здесь вторичных лесов из дуба монгольского, берез, осины и других лиственных пород (Комаров, 1917).
Вслед за В. Л. Комаровым большинство исследователей лесов Приморья и Приамурья отмечали роль пожаров в формировании лесного покрова этой территории (Строгий, 1923; Колесников, 1938; Соловьев, Солодухин, 1957; Стародумов, 1957; Куренцова, 1973; и др.).
Исследуя закономерности зарастания гарей, Б. П. Колесников (1938) предложил первую их типологию, выделяя гари маньчжурского и охотского типа. Классификацию гарей для зоны хвойно-широколиственных лесов Приморского края на основе классификации И. С. Мелехова (1948) разработали К. П. Соловьев и Е. Д. Солодухин (1953), объединив их в две групп по степени состояния древостоев, внутри которых они выделили 6 типов, 4 подтипа и 17 видов гарей.
Классификационную схему типов гарей, включающую типы, группы типов и классы типов гарей предложила Т. А. Комарова (1992). Гари со сходными господствующими биоморфами объединены в классы типов гарей, в пределах классов типов гарей по основным ценообразующим видам выделены группы типов гарей. Основой для выделения типов гарей послужили характерные, или индикаторные, виды, отражающие особенности местообитания и их потенциальные возможности.
Лесовосстановительным процессам на гарях дальневосточных лесов посвящено много работ (Солодухин, 1952, 1956; Манько и др., 1967; Шеметова, 1970; Комарова, 1979; и др.). В результате были заложены основы анализа природных и антропогенных смен в кедровых и пихтово-еловых лесах (Ивашкевич, 1933; Колесников, 1938, 1956 а, б; Кабанов, 1937; Соловьев, 1951, 1958; Розенберг, 1955, 1963; Манько, 1967, 1984, 1987; Куренцова, 1973; Куренцова, Шеметова, 1985; и др.). Б. П. Колесников разработал представления о закономерностях чередования восстановительных и возрастных смен для кедрово-широколиственных лесов Дальнего Востока (1956 а).
Пути и способы заселения свежих гарей, характер и темны зарастания послегаревых участков в зависимости от степени нарушенности растительного покрова, условий местообитания, источников семян и механизмов их рассеивания, запаса почвенных семян южного Сихотэ-Алиня были полно исследованы Т. А. Комаровой (1985, 1986, 1989,1992).
На основе результатов исследований послепожарного восстановления широколиственно-кедровых, кедрово-еловых и пихтово-еловых лесов среднегорного пояса южного Сихотэ-Алиня, Т. А. Комаровой выявлены особенности возрастного развития и роста, длительности полного онтогенеза и смены генераций у ведущих и массовых ценопопуляции всех ярусов растительности (Комарова, 1979, 1980 а, 1982, 1984 а, 1985,1992; Комарова, Кинаш, 1978; Комарова, Маленко, 1980; Комарова, Дюкарев, Чиркина, 1982). Ею выявлены основные закономерности послепожарных сукцессии с точки зрения естественного отбора, системности и структурных уровней сукцессии, обсуждены методические подходы и способы разграничения и анализа сукцессионных рядов. Сукцессии исследовались на уровне синузий и популяций, показан характер их перестройки в ходе сукцессии (1979, 1980 б, 1984 б, 1992 и др.).
Картографический метод изучения динамики лесного фонда под влиянием антропогенного фактора, в том числе и пожаров, был применен Б. П. Петропавловским (Петропавловский, 1978; Петропавловский, Чавтур, Дочевая, 1985).
Ландшафтный поход для оценки пожарной опасности в лесах Приморского края и информационной поддержки принятия решений в области охраны лесов, как для предупреждения возникновения пожаров, так и их обнаружения и ликвидации, был использован в своих исследованиях Н. А. Марченко (1990, 1993 а, б, 2004).
Влияние пожаров исследовалось и на другие компоненты лесных экосистем -подстилку, почвы и почвообразовательный процесс, структуру и разнообразие животного населения (Сапожников, 1976; Сапожников, Костенкова, 1984; Пшеничникова, Пшеничников, 1998; Матюшкин, 1967; Рыбачук, 1987; Симонов, 1987; и др.).
Первые документальные сведения о лесных пожарах на территории, где в последствии был организован заповедник, мы находим у В. К. Арсеньева (1961) в его книге «В дебрях Уссурийского края». Он описывает осенний верховой пожар 1906 г. в кедровниках бассейна р. Серебрянки. Кроме того, он указывает на постоянное использование местным населением палов, в целях создания гарей зарастающих мелколиственными породами, привлекающих копытных. В. К. Арсеньев отмечает, что в прибрежный части незатронутый огнем лес сохранился только небольшими участками.
Объекты исследований
Исследование пирогенных сообществ было начато нами в 1981 г. в урочищах Ясная и Зимовейный в производных лесах, на месте сгоревших в начале XX века кедрово-широколиственных лесов. В 1982 г. совместно с сотрудником заповедника Е. А. Смирновой и сотрудником БПИ ДВО РАН Н. С. Шеметовой были обследованы гари 1978 г. в урочище Усть-Солонцовый, с целью выбора места для закладки постоянных площадей для наблюдения за сукцессионными процессами, происходящими на свежих гарях кедровых и кедрово-широколиственных лесов. Весной 1983 г. в бассейне реки Заболоченная было заложено 4 постоянные и 2 временные площадки размером 10 х 50 м. Пирогенные сообщества на пробных площадях отличаются по исходному типу леса и условиям местообитания. В кедровниках бассейна реки Заболоченной прошел сильный устойчивый низовой пожар, местами переходящий в верховой. Он уничтожил полностью все подчиненные ярусы леса, вызвал усыхание хвойных деревьев в господствующем пологе, выгорание подстилки и поверхностное спекание гумусового слоя почвы. На таких гарях в ходе послепожарных преобразований формируются новые сообщества и восстановление леса идет длительно через смену пород.
Места для закладки постоянных пробных площадей выбирались недалеко от неповрежденных огнем участков для того, чтобы получить данные по структуре экосистем коренных сообществ данного района. На заложенных площадках был учтен и закартирован весь древостой, как живой так и усохший после прохождения огня. Параллельно каждой площадке были заложены трансекты 1 х 50 м для наблюдения за динамикой подроста, подлеска и напочвенного покрова. На них проводился сплошной перечет. Кроме этого дополнительно были проведены описания вокруг площадок с учетом микрорельефа и степени прогарания. Рядом были проведены учеты запасов подстилки и почвенной мезофауны. На незатронутых огнем местах в сходных биотопах для сгоревших типов леса были проведены описания растительности с учетом состава древостоя, состава и обилия подлеска, подроста и напочвенного покрова. В дальнейшем, каждые пять лет на площадях и трансектах проводились наблюдения за процессами, происходящими в ходе демутационной сукцессии.
Для исследования воздействия лесных пожаров меньшей силы и интенсивности был выбран другой стационар. В 1999 году в верховьях реки Ясной возник пожар в результате воспламенения от молнии на вершине горы (589 м н.у.м.). Благодаря пасмурной погоде и довольно высокой влажности напочвенного покрова и подстилки, пожар имел характер беглого низового слабой силы. Огонь языками спустился по склонам и не достиг долины, так как был потушен дождем. Общая площадь горельника - 60 га. Лесные насаждения, затронутые пожаром, на склонах северной и южной экспозиции относятся к двум различным типам кедровников. В пределах каждого склона наблюдается неоднородность микрорельефа, обуславливающая мозаичность микробиотопов и растительных синузий. Данная гарь представляет интерес для изучения особенностей послепожарных сукцессии в кедровниках, как на уровне сообществ, так и на парцеллярном уровне.
В 2000 году на гари в верховьях реки Ясной был организован стационар для многолетних наблюдений за естественным ходом демутационных процессов и их анализа по показателям состава и структуры растительности, подстилки и почвенной фауны. При этом использовались «Методические рекомендации но размещению, территориальной организации и оформлению документации стационаров в государственных заповедниках» (1987), а также ряд методических положений из работы Т. А. Комаровой «Послепожарные сукцессии в лесах Южного Сихотэ-Алиня» (1992).
Основой стационарного полигона является топоэкологический профиль, проложенный через вершину горы и охватывает склоны юго-восточной и северовосточной экспозиции, опускаясь на 40 - 50 м ниже границы гари. На местности вдоль профиля заложена трансекта 5 м шириной и длиной 820 м, размеченная пикетами через 50 м. В пределах трансекты выделено по 3 площадки (5 х 50 м) на каждом склоне на разном уровне для подсчета подроста и подлеска. Рядом с трансектой заложены 3 постоянные пробные площади (10 х 20 м) на участках различной крутизны. Они разбиты на квадраты 2 х 2 м для картирования синузий и микроценозов растительного покрова. К этим же участкам приурочены точки учета почвенной мезофауны и запасов подстилки.
Рядом с выгоревшим участком проведены геоботанические описания в насаждениях, не затронутых огнем для характеристики исходного типа леса. С этой же целью использовались материалы лесоустроительных работ 1979 года. На трансекте по склонам отдельно проведен сплошной перечет и нумерация живых и сухостойных деревьев (всего 511 стволов). Для каждого дерева указывались: диаметр ствола, ярус, высота нагара, степень повреждения коры, кроны и корневых лап. Подрост и подлесок учитывались на площадках в 250 м2, по одной площадке на несгоревшей части профиля и по две на гари. Подрост и кустарники учитывали по ступеням высоты, а лианы - по ступеням длины. На план наносились основания стволов и проекции крон деревьев, отмечалось положение валежин, размещение подроста и подлеска, контуры синузий травяного и мохового ярусов. Для выделения синузий определялся характер микрорельефа и степень выгорания напочвенного покрова. На каждом склоне в пределах трансекты определялись проективное покрытие и встречаемость видов травяного яруса на 100 площадках (1x1 м).
