ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2012, № 2, с. 3-10
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630.221.01:630.187
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ НА ПУЛЫ УГЛЕРОДА В ХВОЙНЫХ ЛЕСАХ ЕВРОПЕЙСКОЙ РОССИИ И ЦЕНТРАЛЬНОЙ КАНАДЫ*
© 2012 г. О. Г. Чертов13, А. С. Комаров2, А. В. Грязькин3, А. П. Смирнов3, Д. С. Бхатти4
Политехнический университет Бинген, Берлинштрассе. 109, 55411 Бинген, ФРГ
E-mail: chertov@fh-bingen.de 2Пущинский государственный университет, Институтская 2, 142290 Пущино, Московская обл. Россия
E-mail: as_komarov@rambler.ru 3Санкт-Петербургский государственный Лесотехнический университет, Институтский пер. 5, 194021, Санкт-Петербург E-mail: lesovod@bk.ru
4Северный лесоводственный центр Канадской Лесной Службы, 122-я улица 5320, Эдмонтон, Альберта, T6H3S2, Канада Поступила в редакцию 14.03.2011 г.
Приводятся результаты имитации долговременной динамики лесных экосистем хвойных лесов европейской части России и центральной Канады с различными режимами лесных пожаров с использованием динамической модели лесных экосистем EFIMOD. Показано, что все виды пожаров приводят к снижению высоты, диаметра, густоты и запасов древесины в моделируемых древо-стоях как в России, так и в Канаде при сильном снижении пулов органического вещества почвы (ОрВП) после пожаров по сравнению со сплошнолесосечным хозяйством в таежных лесах обеих стран. Также происходит долговременное снижение нетто биологической продуктивности. Потери углерода при выгорании фитомассы и подстилки достигают максимума при верховых пожарах, при низовых пожарах - после сплошной рубки пирогенных древостоев.
Имитационное моделирование, модели лесных экосистем, модель EFIMOD, лесные пожары, пулы углерода, таежные экосистемы, хвойные леса, европейская часть России, центральная часть Канады
Изучение характера и последствий катастрофических нарушений функционирования лесных экосистем необходимо для выявления их биогео-ценотических характеристик в экстремальных условиях, оценки последствий этих нарушений с лесохозяйственной и природоохранной точек зрения и разработки мер по восстановлению нарушенных лесов. Лесные пожары занимают не по-
* Работа поддержана целевой программой Мин-тва образования и науки РФ, контракты № 02.740.11.5197 от 12.03.2010 г. и № 14.740.11.1276 от 17.06.2011; РФФИ (№ 09-04-01209); проектами EU INTAS Silvics и Podzol; EU Project OMRISK и eLUP, частично поддержана Federal Panel on Energy Research and Development (PERD) Canada, Canadian Forest Service.
следнюю роль среди нарушений лесных экосистем, что особенно ярко проявилось в европейской части России в экстремально сухое и жаркое лето 2010 г.
В таежных лесах европейской части России верховые пожары случаются относительно редко. Часто происходят низовые подстилочные пожары на сухих песчаных местообитаниях, а также в хвойных древостоях, расположенных на пологих склонах и вершинах всхолмлений [1, 8, 10]. Однако частота экстремально теплых лет в Европейской России возрастает. Так, лето 2010 г. с чрезвычайной сухостью и жарой наступило всего через 7 лет после жаркого летнего сезона в 2003 г.
В таежных (бореальных) лесах Центральной Канады частота нарушений, прежде всего верхо-
вых пожаров, заметно возрастала в течение трех последних десятилетий, что привело к заметным изменениям баланса углерода в лесных экосистемах [4, 22]. Этот факт в Канаде связывают прежде всего с изменением климата [15]. Однако это явление может быть также результатом усиления негативного влияния деятельности человека в связи с возрастанием численности населения Канады и освоением новых лесных массивов.
Основными резервуарами углерода в таежных лесах являются: живая биомасса деревьев; органическое вещество почв (ОрВП), как сумма в различной степени разложившихся растительных остатков и гумусовых веществ, ветровал, валеж и сухостой. Изменения в этих экосистемных "пулах" углерода зависят в основном от динамики биомассы. Накопление ОрВП в лесной подстилке и почве изменяется по стадиям восстановительной динамики древостоев после рубок, штормовых вывалов, пожаров и повреждений вредителями и болезнями. Первичная экогенетическая сукцессия (от пионерных древесно-кустарниковых видов до абсолютно разновозрастных коренных лесов) и вторичная де-мутационная сукцессия (восстановление лесов после рубок и других нарушений) приводят к закономерному возрастанию углерода ОрВП [2, 3, 13].
Нарушения лесных экосистем после пожаров сильно изменяют характер динамических процессов формирования лесов. Лесные пожары приводят к выгоранию углерода биомассы и органических горизонтов почв, возрастанию отпада деревьев и изменению всей растительности. Выгорание хвои при верховых кроновых пожарах - это не только потеря углерода, но и значительного количества азота. При горении напочвенного покрова и части подстилки при верховых и низовых пожарах масштабы потерь углерода и азота могут превышать таковые при выгорании кроны. Это в результате сказывается на продуктивности древостоев и депонировании углерода в лесных экосистемах. Необходимо отметить, что с позиций круговорота углерода влияние лесных пожаров на лесные почвы изучено недостаточно. Основная часть работ, посвященная пожарам, акцентирует внимание на причинах их возникновения, интенсивности, степени повреждения частей дерева [3, 6, 11], т.е. на характеристиках самих пожаров и древостоев. При этом неясным остается соотношение сгоревших и частично обгоревших долей листвы, ветвей, стволов, которые опадают и подвергаются дальнейшей минерализации в зависимости от интенсивности пожара. Неизвестны условия гибели деревьев при обгорании и т.д. Количественная оценка долговременных последствий лесных пожаров является трудоемкой и сложной задачей [3, 8, 9, 12]. В этом отношении могут оказаться полезными
различные имитационные модели лесных насаждений и экосистем в целом [3, 5, 18, 26], которые позволяют оценить долговременные качественные и количественные аспекты функционирования и продуктивности лесов с акцентом на недостаточно изученные аспекты. Результаты моделирования позволяют качественно и количественно сравнить влияние характера пожара и частоты пожаров в различных местообитаниях и при различных главенствующих породах.
В данном сообщении приводятся материалы использования динамической модели системы "древостой-почва" ЕБ1МОВ [5, 18, 21] для предварительной оценки долговременного экологического воздействия лесных пожаров на производительность древостоев и круговорот углерода в таежных экосистемах. Эти материалы представляют собою дальнейшее развитие работ по изучению взаимовлияния изменения климата и нарушений в канадских таежных лесах в сопоставлении с европейскими [15, 19], а также по оценке изменений природной среды России [7].
Модель роста леса и круговорота элементов в лесных экосистемах ЕБ1МОВ (ЕБ1МОВ) подробно описана в литературе [5, 18]. Она представляет собою индивидуально-имитирующий, пространственно распределенный имитатор, рассчитывающий рост каждого дерева и его пространственные координаты, высоту, диаметр и густоту древостоя, запасы древесины, пулы (запасы) ОрВП и азота почвы, параметры баланса угдерода и некоторые другие характеристики. ЕБ1МОВ включает в себя почвенную модель ЯОМиЬ [16], в которой трансформация опада, подстилки и ОрВП "управляется" почвенной температурой и влажностью, а также свойствами опада и ОрВП. В ЕБ1МОВ предусмотрена возможность моделирования различных рубок, пожаров и инвазий насекомых (блоки "имитатор рубок" и "имитатор пожаров").
Обе модели - динамики ОрВП ЯОМИЬ и лесной экосистемы ЕБ1МОВ - были обстоятельно калиброваны, верифицированы и валидированы в России [5], Европейском институте леса в Финляндии [20] и в Канаде [15, 19, 27]. Модели были использованы для различных целей в России, Западной Европе и Северной Америке на основе местных лесных баз данных и данных научных публикаций [5, 14, 16, 17, 20, 25, 30].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для моделирования использовались материалы по хвойным насаждениям типичных для России и Канады древесных пород в сходных лесорасти-тельных условиях и на близких по параметрам
ОрВП почвах при сходных режимах рубок и видах пожаров. Такими породами в России были сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) и ель европейская (Picea abies L.[Karst]), в Канаде сосна Банкса (Pinus banksiana Lamb.) и ель черная (Picea mariana Mill.).
В России для моделирования было выбрано лесничество "Русский Лес" в 100 км к югу от Москвы, где модель EFIMOD ранее была использована для определения экологических последствий различных режимов рубок на их соответствие принципам устойчивого лесоводства [5]. Климат района расположения лесничества умеренно континентальный, с заметным влиянием атлантических воздушных масс, со среднемноголетней годовой температурой воздуха +5.4 °C при 491 мм осадков, большая часть которых выпадает в вегетационный период. Сосняки занимают здесь сухие, свежие и влажные песчаные местообитания с бедными почвами. Смешанные леса с елью, мелколиственными и широколиственными породами преобладают на более продуктивных суглинистых почвах, а также встречаются и на слабодрениро-ванных местоположениях. Все леса подвергались интенсивной эксплуатации в течение ХХ в.
В Канаде были использованы данные боре-альной лесной трансекты BFTCS (Boreal Forest Transect Case Study).Трансекта, представленная сетью постоянных пробных площадей от тундры до прерий, расположена в центральной Канаде. BFTCS является полигоном для исследования баланса углерода в бореальных лесных экосистемах при изменении климата [15, 27]. Были использованы данные для средней части трансекты (Кэндл Лэйк) с континентальным климатом: средняя многолетняя годовая температура воздуха +0.6 °C, осадки 433 мм при выпадении 60% в вегетационный период. Климат существенно более суровый по сравнению с мягким климатом среднеевропейской России. Низкопроизводительные древостои сосны Банкса занимают бедные сухие местообитания, ель черная доминирует на свежих и влажных выположенных местоположениях, на глеевых почвах с мощной подстилкой при низкой продуктивности древостоев. Происхождение как сосняков, так и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.