Влияние низовых пожаров на органическое вещество почвы в криолитозоне Центральной Эвенкии

Размещено на http://allbest.ru

8

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Влияние низовых пожаров на органическое вещество почвы в криолитозоне Центральной Эвенкии

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Богданов Вячеслав Владимирович

Красноярск - 2010

Работа выполнена в лаборатории лесоведения Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Прокушкин Станислав Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, доцент Сорокина Ольга Анатольевна

доктор биологических наук, профессор Безкоровайная Ирина Николаевна

Ведущая организация ГОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет

Защита состоится « 21 » января 2010 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90.

Тел/факс 8(391)227-36-52

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан « » декабря 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук, профессор Г.А. Демиденко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пожары в лесах бореальной зоны - один из основных факторов, дестабилизирующий лесные экосистемы и регулирующий формирование новых послепожарных биогеоценозов (Абаимов и др., 1997; Софронов и др.,2000). Только в криолитозоне Средней Сибири ежегодно действию низовых пожаров подвергаются около 320 тыс. га (Абаимов, 1996; Иванова, 1996; Софронов, Волокитина, 1998).

В результате их действия нарушается естественная динамика развития биогеоценозов и вносятся существенные изменения в запасы органического вещества и потоки углерода в пирогенный и постпирогенный периоды. Кроме того, они коренным образом влияют на гидротермические и эдафические условия, что сказывается на биологической и биохимической активности почв и, как следствие, изменение в ней количественного и качественного состава органического вещества (Цветков и др., 1998; Абаимов, 2004; Софронов и др., 2000).

Влияние пирогенного фактора на эти свойства почв в криолитозоне Средней Сибири мало изучены. В связи с этим, выяснение экологической роли низовых пожаров в трансформации органического вещества в криогенных почвах имеет актуальное значение, как с научной, так и с практической точки зрения.

Цель работы: оценить влияние низовых пожаров на количественный и качественный состав почвенного органического вещества (ПОВ) и его трансформацию в послепожарных сукцессиях в условиях криолитозоны Центральной Эвенкии.

Задачи. Для решения этой проблемы были поставлены следующие задачи:

Определить запасы почвенного органического вещества в лиственничных насаждениях, его потери и восстановление в послепожарный период.

Выявить особенности трансформации почвенного органического вещества в лиственничниках послепожарной генерации.

Оценить динамику восстановления количественного и качественного состава почвенного органического вещества в постпирогенных лиственничниках на склонах разной экспозиции.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Исследованы запасы живого напочвенного покрова и подстилок в лиственничниках разного возраста и определены их потери при низовых пожарах, а также изучено их послепожарное восстановление.

2. Во фракционном составе почв пирогенных лиственничников криолитозоны происходит увеличение гуминовых кислот, в то время как содержание водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ) в почвах снижается, однако к возрасту 56 - летней давности он достигает допожарных величин.

3. Низовые пожары изменяют качественный состав органического вещества подстилок и почв, в лиственничниках криолитозоны.

4. Экспозиции склонов влияют на количественный и качественный состав почвенно - органического вещества в криолитозоне Средней Сибири.

Научная новизна. Впервые для Центральной Эвенкии выявлено влияние пирогенного фактора на количественный и качественный состав почвенного органического вещества и отмечен период его послепожарного восстановления в условиях криолитозоны.

Практическое значение. Изучение трансформации органического вещества в зависимости от действия пирогенного фактора в исследуемом регионе позволяет выяснить их регионально-локальную специфичность и понять сущность процессов и их экологическую роль в трансформации органического вещества в мерзлотных почвах.

Кроме того, впервые получены данные о количественном и качественном составе ПОВ в постпирогенных лиственничниках в криолитозоне Центральной Эвенкии.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены: на конференции молодых ученых, прошедшей на английском языке в Институте леса СО РАН, «Исследование компонентов лесных экосистем Сибири», вып. 9, Красноярск, 2008; на всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Н.П. Курбатского, «Пожары в лесных экосистемах Сибири» Красноярск, 2008; на конференции молодых ученых в Институте леса СО РАН «Исследование компонентов лесных экосистем Сибири», вып.10, Красноярск, 2009. По изучаемому вопросу была опубликована статья в Вестнике КрасГАУ «Влияние низовых пожаров на подвижность органического вещества почвы в лиственничниках криолитозоны Средней Сибири» - Красноярск 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы, в том числе одна из них в журнале, рекомендуемом ВАК Российской Федерации для опубликования результатов исследования.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 136 страницах, включает 6 таблиц, 38 рисунков. Список использованной литературы включает 170 наименований, в том числе 42 - на английском языке.

Личный вклад автора. Обзор литературных данных, сбор полевых материалов и их лабораторные анализы, математическая обработка, анализ полученных данных и их обоснование проводились непосредственно автором.

Благодарности. Автор искренне благодарен руководителю д.б.н., профессору. С.Г. Прокушкину за общее методическое руководство в ходе выполнения работы. Автор признателен к.б.н., с.н.с. зав. лабораторией биогеоценологии А.С. Прокушкину за ценные консультации и содействие в выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Органическое вещество почвы и роль пожаров в его трансформации

Данная глава носит обзорный характер, в ней дано понятие «почвенное органическое вещество» (ПОВ) в лесных экосистемах. Рассмотрены его запасы, формы, классификация и трансформация под влиянием низовых пожаров. Показана их роль как основного фактора коренных изменений естественной динамики развития бореальных лесов Сибири.

В лиственничных насаждениях Сибири, занимающих около 40% лесопокрытой площади лесов России, сосредоточено почти половина всего запаса углерода лесных экосистем страны (Абаимов и др. 1997; Плешиков и др. 2002). Органическому веществу почв принадлежит одно из главных мест в формировании практически всех типов почв.

Первичным и основным источником ОВ в почвах являются наземный опад растений, их экзометаболиты и сапролины, остатки почвенных беспозвоночных и микроорганизмов (Тюрин, 1965; Александрова 1981). Влияние огня на важнейший компонент леса - почву чрезвычайно сложно, неоднозначно и зависит от множества факторов: характеристик пожара, особенностей растительности и почвы (Мелехов, 1983; Бузыкин, 1975).

Следствием лесных пожаров является их влияние на потоки углерода в региональных и глобальных масштабах, обусловленное пирогенными и постпирогенными эмиссиями углерода в атмосферу. Вместе с тем существенный интерес вызывает трансформация количественных и качественных параметров органического вещества почв, сохраняющегося после пирогенного воздействия.

Глава 2. Природно-климатические условия, объекты и методы исследований

Климатические условия изучаемого района, в силу его географического положения на севере внутренних областей континента, крайне суровы и в то же время весьма разнообразны, что обусловлено многообразием ландшафтных комплексов и их геоморфологических особенностей.

В целом, район исследований характеризуется континентальным климатом, что проявляется как в значительных сезонных температурных колебаниях, так и в количестве и распределении осадков по территории (Герасимов, 1964). Леса представлены лиственницей Гмелина (Larix gmelini) с преобладанием кустарниково-мохово-лишайниковой группы типов леса. Для них свойственны низкорослость, тонкомерность, небольшие запасы древесины. Почвенный покров представлен палео-подбурами (верхние склоны плато), криоземами гомогенными (склоны), палевыми гранулоземами, криоземами тиксотропными (террасовые поверхности) (Ершов, 1998). биологический пирогенный послепожарный почва

Исследования проводились в течение 2007-2009 гг. на постоянных и временных пробных площадях Эвенкийского опорного пункта Института леса СО РАН, расположенных в бассейне среднего течения р. Нижняя Тунгуска (центральная часть Среднесибирского плоскогорья, координаты 64^о18' с.ш., 100^о11' в.д.).

Для оценки последствий пожаров в качестве объектов исследования в этих насаждениях, включая склоны разной экспозиции, были выбраны гари разного возраста - 1 (2005), 12(1993), 13 (1994), 17 (1990), 25 (1981) и 56 (1951) годов и, соответственно, не пройденные пожаром контрольные лиственничники. На всех выбранных пробных площадях были заложены трансекты (20х1м), где фиксировали элементы микрорельефа, и далее в 3 - 5 - кратных повторностях были заложены учетные площадки (20 х 25 см) на буграх пучения и в западинах. На выбранных учетных площадках был проведен учет запасов живого напочвенного покрова (ЖНП) и подстилки. Образцы почвы брали буром (100 см) по горизонтам: 0-5, 5-10 см. непосредственно под собранной подстилкой в двукратной повторности.

Содержание общего углерода в подстилках и почвах определяли на элементном анализаторе Elementar Vario EL (Германия). Определение содержания водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ) в почве и подстилке проводили в водной вытяжке, при соотношении 1:10 (образец : вода) по методике И.С. Кауричева и др, 1977.

Полученные растворы фильтровали через нитроцеллюлозный фильтр диаметром пор 0.22 мкм. Углерод определяли по методу И.В. Тюрина, выпаривая фильтрат. Кислотность почв и подстилок определяли в водной вытяжке на иономере - кондуктометре Анион-7051 (г. Новосибирск, Россия).

Определение качественного состава гумуса проводили по методике Тюрина в модификации Пономоревой - Плотниковой. Для чего полученные растворы фильтровали через нитроцеллюлозный фильтр диаметром пор 0.22 мкм.

В подстилках и почвах определяли также содержание ОВ по потере массы при прокаливании. Исследования термического воздействия на подстилки и почвы проводили в диапазоне температур 150, 200, 250,300,400,500 - 600⁰ С.

Для этого образцы выдерживали в муфельной печи SNOL - 1100 (Латвия) при каждой из указанных температур в течение двух часов. Предварительно образцы в двукратной повторности высушивали до а.с. массы с точностью до 0,1 мг. и взвешивали для определения изменения массы ( с точность 0.1 мг).

Глава 3. Влияние низовых пожаров на запасы напочвенного покрова и углерода в послепожарных лиственничниках Центральной Эвенкии

3.1 Послепожарная динамика восстановления живого напочвенного покрова в лиственничниках

В условиях Центральной Эвенкии биомасса живого напочвенного покрова в большинстве лиственничников равна или превышает запасы древесного яруса, достигая 40 - 120 т га^-1 (Каджимото, 1999, Прокушкин и др., 2001). В связи с этим роль ЖНП в формировании и накоплении углерода в почвах лиственничников послепирогенной генерации очень велика, так как в зависимости от характера низовых пожаров происходит почти полное его уничтожение (рис.1).

Рис. 1. Запас живого напочвенного покрова на гарях разного возраста, г м^-2 а.с.м.

При этом на участках с невыраженным микрорельефом происходит равномерное прогорание и уничтожение более 90 % нижних ярусов фитоценозов, что приводит затем к формированию так называемых «черных гарей». В то же время при выраженном микрорельефе, который в большинстве случаев хорошо развит в криолитозоне, бугристо-западинные и грядово-западинные формы микрорельефа предопределяют почти полное сохранение ЖНП в пониженных элементах, что способствует быстрому восстановлению послепожарной структуры растительного покрова (Бугаенко, 2002).

В зоне распространения многолетней мерзлоты периодически повторяющиеся низовые пожары являются важным дестабилизирующим фактором, вносящим значительные коррективы в количественные характеристики живого напочвенного покрова.

Проведенные исследования живого напочвенного покрова показали что его запасы в зависимости от возраста гари увеличиваются от 66,3 в первый год после пирогенного воздействия до 1065,9 г/м^-2 - на гари 56 - летней давности (рис.1)

При проведении анализа накопления ЖНП в зависимости от микрорельефа, выявлено, что его запасы на гарях в микроповышениях несколько меньше, чем в микропонижениях, и варьируют от 24,1 - на гари первого года после сильного беглого низового пожара до 768,2 г/м^-2 - на гари 56 - летней давности, а в микропонижениях - от 108,4 до 1363,8 г/м^-2 соответственно. Микрорельеф криолитозоны, оказывая существенное влияние на гидротермический режим и эдафические условия экотопа, предопределяет характер послепожарных изменений растительности.

Бугристо - западинные и грядово - западинные формы микрорельефа предопределяют сохранение на пониженных формах микрорельефа элементов допожарной синузиальной структуры и способствует быстрому восстановлению структуры растительных сообществ после пожаров.

В местообитаниях с мелкокочковатым микрорельефом этот процесс замедляется, поскольку складываются условия для беспрепятственного прохождения огня. При этом слабый низовой пожар не разрушает полностью структуру сообщества, что способствует более быстрому восстановлению растительности, в то время как после сильного беглого низового пожара вертикальная структура пирогенной ассоциации формируется через 20 и более лет после пирогенного воздействия. В результате выполненных исследований отмечено преимущество применения микроэкосистемного подхода при оценке действий и последствий пожаров в лиственничниках мерзлотной зоны.

3.2 Послепожарная динамика восстановления подстилки в лиственничниках

Рассматривая влияние пирогенного фактора на запас подстилки в послепожарных лиственничниках на гарях разного возраста, отмечено, что их запасы изменяются по сравнению с контролем от 487,7 до 1756,6 г/м², а для гарей от 267,2 - 1693,5 г/м² (рис. 2).

Выполненные исследования позволили охарактеризовать динамику восстановления подстилок с возрастом гарей. В целом, динамика ее послепожарной аккумуляции на гарях идет достаточно интенсивно и ее восстановление до исходного уровня достигается уже через 56 лет.

Рис. 2. Запас подстилки на гарях и контрольных насаждениях, г м^-2 а.с.м.

А на гари 25 - летней давности в лиственничнике кустарничково - зеленомошном в результате слабого восстановления мохово-лишайникового яруса аккумуляция подстилки произошла незначительно.

Таким образом, разрушение лесной подстилки в результате пожаров средней и сильной интенсивности приводит к существенному снижению ее запасов.

При этом накопление массы подстилки зависит не только от возраста гари и сложившихся гидротермических условий, но и от особенностей восстановления видового состава, в частности, от степени возобновления древостоя и его густоты.

3.3.1 Содержание общего углерода в подстилках постпирогенных лиственничников

Изучение воздействия низовых пожаров на органогенные горизонты почв лиственничников на гарях разного возраста показало, что под действием низовых пожаров уничтожается значительная часть подстилки, в результате чего происходит снижение концентрации углерода (рис. 3).

Проведенные исследования показали, что запасы общего углерода в подстилках разных типов лиственничников восстанавливаются от 229,6 г С/м^-2 на гарях первого года, до 709,5 г С/м^-2 через 56 лет после пожара.

Рис. 3. Запас органического углерода (С_общ..) в подстилке на гарях и контрольных лиственничниках, г м^-2 а.с.м.

При беглом пожаре средней силы температура в слое подстилки не превышает 300⁰ С(Gleixner et al, 2001), что в ходе так называемой стадии тления - горения (< 300⁰ С, 5 - 15% О₂ ) вызывает образование меньшего количества угля (0,6 %) (Gleixner et al, 2001), чем и обусловлено низкое содержание С_общ. на исследованных гарях (рис.3) по сравнению с контролем.

Увеличение углерода на 56 - летней гари в лиственничнике багульниково бруснично-зеленомошном по сравнению с контролем является, вероятно, результатом сильного низового пожара, при котором преобладающей стадией горения является пламенное горение (>300⁰ С), в ходе которого образуется до 2,3% угля (Gleixner et al, 2001), что и привело к увеличению содержания С_обш. в подстилке на данной пирогенной ассоциации.

3.3.2 Влияние пожара на содержание водоэкстрагируемого органического углерода в подстилках

Содержание водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ) зависит от температуры, влажности, качественного состава подстилки, и воздействия на него пирогенного фактора.

Сравнительный анализ состава органического вещества подстилок гарей и лиственничных насаждений показал, что пожары снижают концентрацию подвижного ОВ, которое оценивалось по содержанию водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ).

В результате проведенного исследования выявлено, что запас ВЭОУ в изучаемых лиственничниках составляет от 1,4 до 19,3 для гари, и от 3,4 до 20,3 г/м^-2 для контроля (рис. 4).

Под воздействием пирогенного фактора значительная часть подстилки сгорает, и, как следствие, происходит непосредственное уменьшение запасов ВЭОУ в подстилке в постпирогенных ассоциациях, (рис.4).



Рис. 4. Запас водоэкстрагируемого органического углерода в подстилке на гарях и неповрежденных лиственничных ассоциациях криолитозоны, г м^-2 а.с.м.

Периодические низовые пожары являются ключевым фактором, определяющим количественные характеристики органического вещества подстилок. По мере восстановления растительного покрова и аккумуляции органического вещества запасы ВЭОУ возрастают.

3.3.3 Качественный состав органического вещества подстилок в лиственничниках

Для определения качественного состава органического вещества подстилок проведен их термический анализ путем прокаливания при разных температурах (150, 200, 250, 300, 400, 500, 600⁰С). Одним из наиболее существенных изменений в подстилках при прокаливании является потеря ими органического вещества. По потере массы подстилки можно судить о возрасте качественного состава органического вещества. Как показал термический анализ, органическое вещество всех изученных подстилок, характеризуется двумя пиками потери массы, которые в основном происходят в диапазоне температур 200-250 и 400^оС.

А)

Б)

Рис. 5. Потеря органического вещества в подстилках на гарях (А) и контролях (Б) при прокаливании, % от а.с.м.

Обнаруженная дифференциация потери массы подстилок по этим пикам предполагает, что вследствие разного состава органическое вещество обладает разной степенью термоустойчивости. Снижение массы в интервалах 200-250 и 400^оС, связаны с качественным составом органического вещества. В частности, пик потери массы при 200-250^оС характеризует количество слабоустойчивых к нагреванию соединений: гемицеллюлозы, целлюлозы, причем разлагаются сначала менее термоустойчивые гемицеллюлозы, а затем собственно целлюлоза. Поэтому подстилки гарей «младшего» возраста (1, 12, 13, 17 лет), характеризуются наличием более свежего органического материала, потеря массы которого наблюдается в диапазоне 200-250^оС (Рис. 5 А). Для подстилок контролей характерно наличие большего количества свежего органического материала, по сравнению с гарями. Для гари же более старшего возраста (25 - 50лет), убыль массы в температурном интервале 300-500^оС является наиболее трудно интерпретируемой и представляет наибольший интерес, поскольку именно в этой области происходит разложение более термоустойчивых соединений, например, лигнина или лигноцеллюлозы. Контрольные же лиственничники характеризуются меньшим количеством термоустойчивых соединений по сравнению с гарями (рис. 5 Б).

Таким образом, органическое вещество лесных подстилок обладает разной степенью термоустойчивости, что обусловлено различиями в его фракционном составе. Органическое вещество подстилок на севере Средней Сибири на молодых гарях представлено относительно «свежими» фракциями, такими как гемицеллюлоза, целлюлоза, углеводы и продуктами гумификации. С другой стороны, вероятна и меньшая термоустойчивость органического вещества, гумифицирующегося в данных условиях. Для гарей старшего возраста характерна потеря значительной части органического вещества подстилок при температурах 300 - 500 ^оС, поскольку именно в этой области происходит разложение важных структурных компонентов опада - структурированной и аморфной целлюлозы, а также более устойчивых соединений, например, лигнина или лигноцеллюлозы.

Глава 4. Влияние низовых пожаров на содержание углерода в почвах послепожарных лиственничников

4.1 Содержание общего углерода в почве послепожарных лиственничников

Выявлено, что на гари 56 - летней давности по сравнению с контролем содержание С_общ. увеличилось, в то время как на других гарях по отношению к контролю произошло его некоторое уменьшение (рис.6). Произошедшее увеличение содержания С_общ. в почве на гари 56 - летней давности может быть обусловлено несколькими причинами, которые проявляются в течение большого периода, прошедшего с момента пожара, по сравнению с другими пирогенными ассоциациями.

1. связывание несгоревших органических остатков минеральными частицами почвы, данные комплексы более защищены от биохимического разрушения;

2. преобразование свежего органического вещества (ОВ) в более устойчивые формы, невымывающиеся из почвы;

3. уменьшение скорости минерализации ОВ в постпирогенный период и изменение его качественного состава в результате поступления веществ с верхних горизонтов (Fernandez et., 1999).

Рис. 6. Запас органического углерода (С_общ)_. в верхнем 0 - 5 - см. слое почвы на гарях и контрольных лиственничниках, кг м^-2 а.с.м.

Запасы общего углерода (С_общ.) в 0 - 5- см горизонте почвы на единицу площади с возрастом гари возрастают от 13,3 кг С/м^-2 на гари первого года после сильного беглого низового пожара до 21,8 кг С/м^-2 на гари 56-летней давности в лиственничнике багульниково бруснично - зеленомошном также после сильного беглого низового пожара.

Изучение запасов общего углерода (С_общ.) в горизонте почвы 5 -10 см на единицу площади также показало их увеличение с возрастом гари от 15 кг С/м^-2 на гари первого года после сильного беглого низового пожара до 65 кг С/м^-2 на гари 56-летней давности. В то время как на гари 25 - летней давности с таким же типом пожара произошло его уменьшение, связанное с типом восстановившейся растительности и густоты древостоя. Увеличение запаса общего углерода на гари 17 - летней давности в лиственничнике багульниково - бруснично зеленомошном с подлеском из душекии связано с типом растительности (рис. 7).

Рис. 7. Запас органического углерода (С_общ)_. в 5 - 10 - см слое почвы на гарях и контрольных лиственничниках, кг м^-2, а.с.м.

Таким образом, содержание органического углерода в почве послепожарных лиственничников определяется типом пожара, его интенсивностью, а также непосредственно связано с особенностями постпирогенного восстановления леса.

4.2 Изменение содержания водоэкстрагируемого органического углерода в почве

В результате изучения влияния низовых пожаров на содержание ВЭОУ выявлено, что в верхнем 0 - 5 - см слое почвы исследуемых ненарушенных лиственничников содержание водоэкстрагируемого органического углерода ниже, чем в подстилке, и варьирует от 0,16 до 0,75 мг/г, в то время как на гари - от 0,12 до 0,66 мг/г. Пирогенный фактор приводит к снижению содержания. ВЭОУ в почве, что, вероятно, связано с уничтожением значительной части живого напочвенного покрова и подстилки, являющихся основным источником ВЭОУ в верхних 0 - 5 - см слоях почвы. В то же время в нижележащих 5 - 10 - см горизонтах почвы также происходит снижение содержания ВЭОУ. Возможным объяснением этого является воздействие пирогенного фактора на основной его источник, а также процессы его адсорбции на минеральных поверхностях с образованием органо - минеральных комплексов и его потребления микробным сообществом в качестве основного питательного субстрата. Таким образом, в результате действия пирогенного фактора на лиственничные насаждения криолитозоны происходит снижение доли подвижной фракции органического вещества в почве.

4.3 Фракционный состав гумуса в почве послепожарных лиственничников

Для изучения влияния пирогенного фактора на фракционный состав гумуса лиственничников было проведено исследование почвы гарей разного возраста.

В результате изучения влияния низовых пожаров на фракционный состав гумуса выявлено, что их воздействие уменьшает содержание фульвокислот с одновременным увеличением гуминовых кислот (рис. 8). Отмеченное связано с улучшением гидротермических и трофических условий в послепожарных лиственничниках (Мажитова, 2000; Прокушкин, Абаимов; 2008), что приводит к увеличению микробиологической активности почв (Сорокин, Евграфова 1999), одним из субстратов для которых являются фульвокислоты.

Использование их микроорганизмами привело к изменению группового состава гумуса, поэтому с ростом биологической активности почв происходит уменьшение доли фульвокислот, которые более доступны микроорганизмам, чем негидролизуемые или трудногидролизуемые компоненты гуминовых кислот. В нижележащем 5 - 10 - см горизонте продолжается снижение содержания гуминовых и фульвокислот по отношению к вышележащему горизонту.

Рис. 8. Влияние низовых пожаров на концентрации фульвокислот (ФК) и гуминовых - кислот (ГК) в 0 - 5 см слое почвы, мг/г а.с.м.

При активизации биологических процессов после пожара возможной причиной возрастания количества гуминовых кислот в почвах считается ускоренное разложение не сгоревших остатков корней и увеличение скорости гумификации растительных остатков.

4.4 Качественный состав органического вещества почв в послепожарных лиственничниках

В результате термического анализа отдельных минеральных горизонтов почвы (0 - 5; 5 - 10 см) с гарей разного возраста выявлено два максимума потери массы, отмеченные при 250 и 400⁰С, а при 150⁰С происходит удаление гигроскопической и конституционной воды.

Известно, что при температуре 200 - 250⁰С теряется до 37% органического вещества, при этом 70 - 80% теряется за счет целлюлозы и гемицеллюлозы, 50% - за счет лигнина и водорастворимых органических соединений и 10 - 25% - за счет липидов (Fernandez и др. 1997).

Существенное же снижение массы происходит при 400⁰С и обусловлено деструкцией таких компонентов органического вещества как лигнин и лигноцеллюлоза. В нижележащих горизонтах (5 -10 см), в отличие от вышележащих, наблюдаются два пика потери массы: первый - при 150⁰С, характеризующий потери воды, второй - при 400⁰С, обусловленный деструкцией органического вещества. В результате можно предположить, что минеральный горизонт на глубине 5 - 10 см представлен продуктами гумификации.

Таким образом, термический анализ почв, сформированных в условиях криолитозоны средней Сибири, ведет к трансформации и полной потере содержащегося в них органического вещества при 400⁰С. Можно предположить, что органическое вещество верхнего горизонта криогенных почв на севере Средней Сибири представлено как «свежими» фракциями, так и продуктами гумификации. С другой стороны возможна и меньшая термоустойчивость органического вещества, гумифицирующегося в данных условиях, что, возможно, обусловлено различиями в его фракционном составе.

Глава 5. Влияние экспозиции склона на количественный и качественный состав органического вещества напочвенного покрова и почвы

5.1 Запасы органического вещества в живом напочвенном покрове в зависимости от экспозиции склона

Анализ процесса накопления ЖНП в послепожарных лиственничниках, сформированных на склонах разной экспозиции, показал, что его запас на северном склоне зависит от возраста лиственничников и экологических условий, составляя при этом от 807,4 до 1884,9 г/м², в то время как на южных склонах он несколько ниже - от 747,2 до 1504,9 г/м² (рис.9)

А)

Б)

Рис. 9. Запас живого напочвенного покрова на северном (А) и южном (Б) склонах, г м^-2 а.с.м.

Выявленные различия связаны с тем, что на более теплообеспеченных южных склонах снижается влажность и уменьшается прирост ЖНП. На северных склонах, отличающихся большей увлажненностью в течение вегетационного сезона, создаются оптимальные условия для произрастания мхов. Данные условия стимулируют лучшее ветвление мхов, приводящее к образованию более плотных подушек, где дольше сохраняется влага.

Анализ процесса накопления ЖНП в зависимости от микрорельефа показал, что он существенно влияет на гидротермический режим почвы и является важным экологическим фактором.

Во всех случаях в микропонижениях содержится значительное количество ЖНП. Микроповышения южных склонов характеризуются меньшими его запасами, которые составляют от 498,5 до 1430,3 г/м². Его запасы в микроповышениях северных склонов достигают 1662,4 г/м², что значительно выше, чем на южных склонах - 624 г/м². В результате исследований запасов живого напочвенного покрова в микропонижениях было выявлено, что его содержание в низинах превышает таковой в микроповышениях, причем запас ЖНП в северных микропонижениях в зависимости от давности пожара составляет от 1051,4 до 2107,4 и таким образом превышает запас ЖНП в южных, где таковой составляет от 1005,5 до 1807.4 г/м² соответственно.

5.2 Запасы органического вещества в подстилках постпирогенных лиственничников

Анализ запасов подстилок в лиственничниках показал, что, как и живой напочвенный покров, они формируются преимущественно на склонах северной экспозиции, где их количество в зависимости от возраста лиственничников составляет от 1142,4 до 2250,5 г/м², в то время как на южных склонах их запасы находятся в пределах от 963,2 до 1554,3 г/м² соответственно.

С увеличением постпирогенного периода происходит увеличение запасов органического вещества в подстилках, независимо от экспозиции склона, хотя на северном склоне данный процесс выражен гораздо отчетливее (рис. 10).

Кроме того, существенное влияние на характер и темпы накопления подстилки оказывает также и микрорельеф. Проведенные исследования позволили охарактеризовать динамику накопления подстилок в зависимости от возраста лиственничников на склонах разной экспозиции. Согласно полученным данным, запасы подстилки в микропонижениях на северных склонах превышают таковые на южных склонах и составляют от 1393,6 до 2945,7 и от 986 до 1949,8 г/м^-2 соответственно.

А)

Б)

Рис. 10. Запас подстилки на северном (А) и южном (Б) склонах, г м^-2 а.с.м.

Микроповышения как северных, так и южных склонов отличаются от микропонижений меньшими запасами подстилки. Их запасы в микроповышениях на южных склонах также значительно ниже, чем на северных и составляют от 797,2 до 1158,8 и от 891,3 до 1854,3 г/м^-2 соответственно.

5.3 Фракционный состав органического вещества подстилок постпирогенных лиственничников на склонах разной экспозиции

5.3.1 Содержание водоэкстрагируемого органического углерода в подстилках

При исследовании запасов водоэкстрагируемого органического углерода в подстилках выявлено, что его запасы на северном склоне ниже, чем на южном, и достигают на северном от 10,8 до 16 и от 12,6 до 27,9 г/м^-2 на южном.

Отмеченные различия являются следствием разных гидротермических условий на этих склонах, определяющих накопление и миграцию водорастворимого органического вещества в подстилках.

С одной стороны, водный режим оказывает влияние на интенсивность и направленность микробиологических процессов разложения органического материала и, соответственно, определяет образование ВЭОУ. С другой стороны, осадки, проходя через подстилку, обеспечивают мобилизацию и миграцию ВЭОУ.

Следует отметить, что если в верхнем 0 - 5 - см слое почвы наблюдаются различия между склонами, то, как показали исследования, в 5 - 10-см горизонте эти различия менее выражены, а также он отличается меньшим содержанием ВЭОУ, который составляет для северного склона от 0,06 до 0,08, а для южного - от 0,07 до 0,09 мг/г.

На северных склонах процессы трансформации подстилки замедлены вследствие низких температур и значительной увлажненности, что приводит к накоплению общего органического вещества на поверхности почвы, но снижению водорастворимого.

На южных склонах трансформация органического вещества подстилки значительно выше в силу лучших гидротермических условий, и, как следствие, количество ВЭОУ там выше.

В целом же можно сказать, что осадки высокой интенсивности и их частота способны вымывать значительные количества ВЭОУ из подстилок. Кроме того, достаточно быстрое восполнение запасов водорастворимого вещества за счет микробиологических процессов в течение вегетационного периода на склонах южной экспозиции способно еще более увеличивать величину его экспорта из лесных экосистем.

5.3.2 Качественный состав органического вещества подстилок в постпирогенных лиственничниках на склонах разной экспозиции

Как показал анализ, органический материал подстилок характеризуется двумя пиками потери массы (рис.11).

Для склонов северной экспозиции характерна значительная потеря массы в диапазоне температур 200-250^оС.

Данный пик потери массы характеризует присутствие слабоустойчивых к нагреванию соединений: гемицеллюлозы и целлюлозы, причем разлагаются сначала менее термоустойчивые гемицеллюлозы, а затем собственно целлюлоза.

Для склонов южной экспозиции характерна потеря массы в температурном интервале 300-500^оС. В этой области температур происходит разложение важных структурных компонентов опада - структурированной и аморфной целлюлозы, а также более устойчивых соединений, например, лигнина или лигноцеллюлозы. Органическое вещество лесных подстилок обладает разной степенью термоустойчивости, что обусловлено различиями в его фракционном составе.



А)

Б)

Рис. 11. Потеря массы при прокаливании подстилок на северном (А) и южном (Б) склонах % от а.с.м.

Таким образом, можно предположить, что органическое вещество подстилок на склонах северной экспозиции в силу замедленной деструкции накапливается на поверхности почвы и представлено относительно «свежими» фракциями и в меньшей степени продуктами гумификации.

Сочетание теплообеспеченности, увлажнения и хорошего дренажа на южных склонах приводит к меньшему накоплению органического вещества подстилок, представленного преимущественно структурированной и аморфной целлюлозой, а также более устойчивыми соединениями, например, лигнином или лигноцеллюлозой.

Подстилки южных склонов, по сравнению с северными, в большей степени подвержены минерализации в силу гидротермических условий.

5.4 Фракционный состав органического вещества почв послепожарных лиственничников

5.4.1 Содержание водоэкстрагируемого органического углерода в почве

Проведенные исследования концентрации водоэкстрагируемого органического углерода в почве древостоев разного возраста на склонах разной экспозиции показали, что его содержание различается в зависимости от экспозиции склона и составляет для южного - от 0,12 до 0,16, а для северного склона - от 0,11 до 0,12 мг/г (рис.12).

При этом, на переувлажненной территории северного склона, характеризующегося близким залеганием многолетней мерзлоты, скорость протекания процессов деструкции существенно ниже.

В связи с этим, содержание водоэкстрагируемого органического углерода на таких участках ниже, чем на южных.

На склонах южной экспозиции в условиях благоприятного сочетания температуры и влажности разложение органического вещества является результатом более интенсивных микробиологических процессов и активности беспозвоночных.

Кроме того, более высокое по сравнению с северными склонами содержание ВЭОУ в 0-5 -см слое почвы южного склона обусловлено поступлением его из подстилок, где также отмечается большая подвижность углерода.

В целом, следует отметить, что если в верхнем 5 - см слое почвы наблюдаются различия между склонами, то, как показали исследования, в горизонте 5 - 10 см эти различия менее выражены, а также данный горизонт отличается меньшим содержанием ВЭОУ по сравнению с вышележащим и составляет для северного склона от 0,06 до 0,08, а для южного - от 0,07 до 0,09 мг/г

Рис. 12. Концентрация водоэкстрагируемого органического углерода в 0 - 5- см слое почвы на северном (А) и южном (Б) склонах, мг/г а.с.м.

5.4.2 Фракционный состав гумуса в почве послепожарных лиственничников на склонах разной экспозиции

При изучении фракционного состава гумуса в почвах послепожарных лиственничников на склонах разной экспозиции выявлено, что его состав и содержание в зависимости от экспозиции склонов неодинаков и определяется их экологическими особенностями.

Так, на северных склонах в силу складывающихся неблагоприятных гидротермических условий, повышенной увлажненности, более близким залеганием многолетней мерзлоты и бедной микрофлоры, происходит слабая минерализация растительных остатков.

А)

Б)

Рис. 13. Концентрация фульвокислот (ФК) и гуминовых (ГК) - кислот в 0 - 5 - см слое почвы на северном (А) и южном (Б) склонах, мг/г а.с.м.

На склонах же южной экспозиции с более благоприятными гидротермическими условиями наблюдается увеличение микробиологической активности, что приводит к более интенсивной минерализации органического вещества (рис.13).

В нижележащем горизонте (5 - 10 см) отмечено снижение содержания гуминовых и фульвокислот по отношению к вышележащему горизонту. В данных горизонтах на северном склоне прослеживается увеличение доли гуминовых кислот по отношению к фульвокислотам, что связано с уменьшением численности микрофлоры и ее активности.

Таким образом, различия в гидротермическом режиме местообитаний в значительной мере определяют содержание и фракционный состав гумусовых веществ.

5.4.3 Качественный состав органического вещества почв в постпирогенных лиственничниках

В результате термического анализа минеральных горизонтов почв (0 - 5; 5 - 10 см) постпирогенных лиственничников на склонах разной экспозиции выявлено, что в верхних 0 - 5 -см горизонтах почвы прослеживается три пика потери массы.

Первый пик наблюдается при 100 - 150⁰С и связан с удалением конституционной воды, второй пик - при 250⁰ С характерен для почв склона северной экспозиции и указывает на присутствие слабоустойчивых к нагреванию соединений - гемицеллюлозы и целлюлозы, при этом разлагаются сначала менее термоустойчивые гемицеллюлозы, а затем собственно целлюлоза.

Для склонов южной экспозиции характерна потеря массы при более высокой температуре 400^оС. В этой области происходит разложение важных структурных компонентов - структурированной и аморфной целлюлозы, а также более устойчивых соединений, типа лигнина или лигноцеллюлозы.

В минеральном 5 - 10 -см горизонте выявлено также три пика потери массы, характеризующих качественный состав органического вещества этих горизонтов.

Таким образом, в результате термического анализа минерального горизонта почв, следует вывод, что органическое вещество почв на склоне северной экспозиции представлено в большей степени «свежими» негумифицированными фракциями органического вещества, такими как гемицеллюлоза, целлюлоза, и в меньшей степени продуктами гумификации. В то же время органическое вещество склонов южной экспозиции представлено более устойчивыми к нагреванию соединениями, такими как лигнин или лигноцеллюлоза.

ВЫВОДЫ

1. Живой напочвенный покров, являясь основным источником органического углерода в лиственничниках Центральной Эвенкии, полностью уничтожается в микроповышениях беглыми низовыми пожарами средней и сильной интенсивности, в то время как в микропонижениях он сохраняется почти полностью и уничтожается лишь при устойчивом низовом пожаре. Динамика послепожарного восстановления живого напочвенного покрова на гарях разного возраста идет медленно в течение 25 - 50 и более лет.

2. Пожары средней и сильной интенсивности приводят к существенному снижению запаса подстилки, период полного восстановления которой зависит от сложившихся послепожарных гидротермических условий, особенностей восстановления древостоя и живого напочвенного покрова и длится 25 - 50 лет.

3. В ненарушенных лиственничниках криолитозоны в зависимости от типа леса запасы общего углерода в подстилках варьируют от 183 до 539 г/м², а на молодых гарях в зависимости от интенсивности пожара его запасы уменьшаются в 2 - 3 раза.

4. В ненарушенных лиственничниках криолитозоны мозаичность гидротермических условий и видового состава живого напочвенного покрова определяют значительное варьирование запасов водоэкстрагируемого органического углерода в подстилке от 1,4 до 19,0 г/м² .В то время как на гарях в зависимости от давности пожара его содержание уменьшается в 2 - 2,5 раза.

5. Запасы общего углерода в 0 - 5 см минеральных горизонтах в ненарушенных лиственничниках Центральной Эвенкии варьируют от 112 до 193 г/м², в 5 - 10 - см горизонтах его содержание несколько ниже и составляет от 43 до 169 г/м².

6. В результате низовых пожаров содержание общего углерода во всех горизонтах снижается.

7. На основании термохимического анализа определен качественный состав органического вещества подстилок и почв. Выявлено, что в «молодых» гарях (1 -13 лет) органическое вещество подстилок представлено относительно «свежими» фракциями, такими как гемицеллюлоза, целлюлоза, которые характеризуются разной степенью разложения.

Вначале разлагается менее термоустойчивая гемицеллюлоза, а затем собственно целлюлоза, а в еще меньшей степени - продукты гумификации.

В верхних минеральных горизонтах почв (0-5; 5-10см) органическое вещество представлено как «свежими» фракциями - гемицеллюлоза и целлюлоза, так и лигнином, и лигноцеллюлозой.

С увеличением давности гари в органическом веществе почв увеличивается доля более термоустойчивых соединений (гуматов и гуминов).

На гарях старших возрастов (17-56 лет) фракциями опада являются структурированная и аморфная целлюлоза, а также более устойчивые соединения, например, лигнин или лигноцеллюлоза.

8. В почвах послепожарных лиственничников отмечено увеличение отношения С_гк / С_фк . Возрастание количества гуминовых кислот в этих почвах является следствием более интенсивной минерализации отмерших корней в условиях активизации биологических процессов и увеличения скорости гумификации растительных остатков.

9. Низовые пожары приводят к снижению в почвах водоэкстрагируемого органического углерода, содержание которого через 56 лет вновь возрастает и достигает допожарных величин. Повышение температуры и увеличение количества осадков может способствовать ускорению процессов минерализации опада и образованию водоэкстрагируемого органического углерода.

10. В подстилках и почвах постпирогенных лиственничников в зависимости от экспозиции склона формируется разное количество органического вещества, запас которого на склонах северной экспозиции превышает запас на склонах южной экспозиции.

Отмеченное связано с гидротермическими условиями почв, формирующихся на этих склонах. Поэтому экспозицию северного склона можно рассматривать как модель формирования лиственничников при глобальном похолодании. В то время как условия южных склонов можно рассматривать как возможную ситуацию при потеплении.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Результаты исследования, полученные в ходе изучения поставленных задач внедрены в работу Эвенкийского лесхоза п. Тура.

2. Материалы диссертации рекомендуются для включения в программы ВУЗов по курсам лесной экологии, лесной пирологии и лесоведения.

3. Данные диссертации рекомендуются для передачи в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», так как вопрос глобального потепления климата непосредственно связан с пожарными эмиссиями органического вещества в том числе, почвенного, которое переносится в атмосферу, увеличивая концентрацию углерода, обуславливающую дальнейшее потепление.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Богданов В.В. Влияние низовых пожаров на свойства мерзлотных почв Средней Сибири // Исследования компонентов лесных экосистем Сибири: Материалы конференции молодых ученых. - Красноярск: Вып. 9, Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2008. - С. 7 - 10.

2. Прокушкин А.С., Богданов В.В., Евграфова С.Ю., Бугаенко Т.Н., Кирдянов А.В., Кнорре А.А., Прокушкин С.Г. Влияние низовых пожаров на запасы и состав почвенного органического вещества в криолитозоне Средней Сибири, всероссийская конференция с международным участием: «пожары в лесных экосистемах Сибири, посвященная 100 - летию со дня рождения профессора Н.П. Курбатского» - Красноярск 2008 г. - С. 60-68

3. Богданов В.В. Запас и состав органического вещества подстилок в пирогенных лиственничниках центральной Эвенкии // Исследования компонентов лесных экосистем Сибири: Материалы конференции молодых ученых. - Красноярск: Вып. 10, Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2009. - С. 12 - 15.

4. Богданов В.В., Прокушкин А.С., Прокушкин С.Г. Влияние низовых пожаров на подвижность органического вещества почвы в лиственничниках криолитозоны Средней Сибири / Вестник КрасГАУ, Вып. 2 - Красноярск 2009 - С. 88 - 93.

Размещено на Allbest.ru