ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2007, № 4, с. 490-500
БИОЛОГИЯ ПОЧВЫ
УДК 574.45:581.524.442:630*43
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ХВОЙНО-ШИРОКОЛИСТВЕННЫХ ЛЕСАХ В РАЗНЫХ ТИПАХ МЕСТООБИТАНИЙ ПРИ ПОЖАРАХ (ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)
© 2007 г. А. С. Комаров, Т. С. Кубасова
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАИ, 142290 Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 E-mail: t.s.kubasova@rambler.ru Поступила в редакцию 15.09.2006 г.
Проведена оценка влияния лесных пожаров разной интенсивности на динамику органического вещества в лесных почвах с помощью системы моделей EFIMOD. Проанализированы отличия в динамике органического вещества между пожарами и сценарием естественного развития лесных экосистем. Скорости восстановления органического вещества почвы после пожаров в лесных экосистемах зависят от интенсивности и частоты воздействий. Самые сильные изменения происходят при интенсивных верховых пожарах, они могут привести к разрушению системы.
В настоящее время изучению динамики органического вещества в лесных экосистемах уделяется повышенное внимание в связи с необходимостью решения проблем, напрямую или косвенно связанных с состоянием и тенденциями развития лесов. Согласно существующим представлениям, накопление органического вещества, и, в частности, углерода в экосистеме отражает ее внутреннее развитие, а уменьшение - деградацию под влиянием изменения природных факторов и/или антропогенного стресса (Комаров, Чертов, 2007).
В частности, необходима оценка баланса и динамики углерода лесных экосистем при наличии таких сильных (катастрофических) внешних воздействий, как лесные пожары (Уткин и др., 2005).
С позиций круговорота углерода влияние лесных пожаров на лесные почвы изучено в малой степени (Софронов, Волокитина, 1998). Основная часть работ, посвященная пожарам, акцентирует внимание на причинах их возникновения, интенсивности, степени повреждения частей дерева (Мелехов, 1947; Корчагин, 1954; Ремезов, По-гребняк, 1965; Фуряев, 1996). При этом неясным остается соотношение сгоревших и частично обгоревших долей листвы, ветвей, стволов, опадающих и подвергающихся дальнейшей минерализации в зависимости от интенсивности пожара. Неизвестны условия гибели деревьев при обгорании и т.д.
Учет влияния лесных пожаров на динамику органического вещества может быть сделан с помощью математических моделей. Хорошо известны детальные модели лесных пожаров, разработанные в США и получившие широкое распростра-
нение в мире (Rothermel, 1972; Albini, 1976). Процессами, рассматриваемыми в моделях, как правило, являются сгорание горючих материалов (живой и мертвой древесины), гибель деревьев и растений, тепловое воздействие на почву, загрязнение продуктами пожара и изменения круговорота элементов (Keane, 2000).
Скорость обмена углеродом между почвой и атмосферой регулируется фотосинтетическим закреплением углерода в растительности, минерализацией и гумификацией растительных остатков и органического вещества почвы. Оценивая скорости этих процессов и величины пулов органического вещества почвы (ОрВП), вовлеченных в них, можно проанализировать динамику ОрВП различных лесных экосистем под действием катастрофических воздействий различной интенсивности для лесных территорий с различными типами условий местообитаний.
Целью настоящей работы является анализ влияния пожаров на динамику органического вещества в экосистемах хвойно-широколиственных лесов с помощью системы моделей биологического круговорота углерода и азота в лесных экосистемах EFIMOD (Komarov et al., 2003). Ранее нами были проделаны предварительные вычислительные эксперименты с моделью динамики органического вещества почвы ROMUL (Chertov et al., 2001), в которых моделирование динамики лесной растительности было заменено сценарием опадов, поступающих на/в почву (Кубасова, Лукьянов, 2005; Kubasova, Loukianov, 2005).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для вычислительных экспериментов были выбраны реальные данные для трех лесотаксацион-ных выделов Данковского лесничества Опытного лесного хозяйства "Русский лес", расположенного в 100 километрах к югу от Москвы. Территория относится к подзоне хвойно-широко-лиственных лесов (Медведева и др., 1983). Почвы дерново-подбуры. Для моделирования использовали данные по лесоустройству за 1990 г., предоставленные сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института лесоводства и механизации лесного хозяйства МПР (Москва) М.М. Паленовой и В.Н. Коротковым. Были выбраны выделы, относящиеся к трем разным типам условий местообитаний (ТУМ) (Ремезов, По-гребняк, 1965), типичным для этой территории: сосняк лишайниковый (В2), сосняк сложный мелкотравный (В3) и березняк волосисто-осоковый (С3).
Вычислительный эксперимент проводили с помощью системы моделей EFIMOD (Моделирование динамики..., 2007). Система моделей состоит: 1) из индивидуально-ориентированной модели древостоя, позволяющей моделировать динамику разновозрастных и смешанных древостоев; 2) модели динамики органического вещества почвы ROMUL (Chertov et а!., 2001), описывающей разложение опада, поступающего на/в почву, и динамику азота, доступного для растений; 3) статистического генератора температуры и влажности почвы SCLISS (Быховец, Комаров, 2002).
Система моделей EFIMOD описывает совместный круговорот углерода и азота в системе "древостой-почва", причем древостой рассматривается как продукционная ветвь круговорота, а почва как деструкционная.
Для моделирования динамики органического вещества в лесных экосистемах с использованием моделей EFIMOD и ROMUL, в качестве входной информации требуются временные ряды температуры воздуха и осадков, а также температуры и влажности почвы и лесной подстилки. Для создания климатических сценариев нами использован имитатор SCLISS (Chertov et а!., 2001; Быховец, Комаров, 2002). Входные климатические параметры рассчитывали по многолетним данным метеостанции "Серпухов" (54°50' с.ш. 37°35' в.д.).
Основные допущения системы моделей EFI-MOD (Моделирование динамики., 2007): 1) древостой моделируется состоящим из отдельных деревьев, растущих на однородной почве и расположенных в ячейках квадратной решетки, клетки которой достаточно малы (0.5 х 0.5 м), чтобы содержать более одного дерева; 2) каждое дерево состоит из пяти компонентов (ствол, ветви, листья/хвоя, толстые корни, тонкие корни) и обладает своей собственной зоной питания, зависящей
от возраста; 3) каждое дерево взаимодействует с множеством ближайших деревьев посредством затенения и корневой конкуренции за доступный азот из почвы; прирост дерева зависит от ресурса, находящегося в дефиците (поглощенная радиация или доступный азот).
Основные допущения подмодели динамики органического вещества почвы ROMUL: 1) скорости минерализации и гумификации зависят от температуры и влажности почвы и/или подстилки, содержания азота и зольности когорты напочвенного (или внутрипочвенного) опада; 2) скорость минерализации азота происходит значительно медленнее и обладает рядом специфических особенностей; 3) минерализованный азот полностью потребляется растениями, избыточный азот иммобилизуется в ОрВП.
Входные параметры системы моделей EFI-MOD для каждого вида и возрастной группы в древостое: 1) средние диаметр и высота, сумма площадей сечений, запас древесины, число деревьев на гектар; 2) пулы углерода и азота лесной подстилки и почвы, включая древесные остатки; 3) среднемесячные температура воздуха и осадки; гидрологические параметры почвы; 4) интенсивность пожара.
Выходные параметры системы моделей EFI-MOD для каждого вида и возрастной группы в древостое: 1) средние диаметр и высота, сумма площадей сечений, запас древесины, число деревьев на гектар; 2) биомасса, количество углерода и азота в каждом дереве и напочвенном покрове; 3) количество углерода и азота почвы, включая древесные остатки.
Моделировали сценарии верховых пожаров по литературным данным (Керженцев, 1999; Kurz, Apps, 1999). Интервал моделирования составлял 200 лет с шагом моделирования 1 год. Для вычислительных экспериментов были приняты следующие сценарии:
1. Естественное развитие леса для каждого ТУМ. В этом сценарии происходит имитация долговременного естественного развития лесной экосистемы с периодической подсадкой молодых деревьев, характерных для ТУМ видов (2000 экз./га) без воздействий. Для ТУМ В2 производилась подсадка сосны и березы (50% каждого вида), для В3 - сосны (25%), ели (40), березы (30) и дуба (5%), для С3 - березы (25%), ели (45), сосны (15) и осины (15%).
2. Верховые пожары с обычной для лесных экосистем частотой возникновения происходят по достижении определенного возраста сосны или березы. При этом опад сгорает на 100%, листья или хвоя на 100, корни на 30, ветви на 60 и подстилка на 80%. Затем через 5 лет производится подсадка 10000 экз./га (сосна и береза), в дальнейшем естественное развитие без воздействий.
8 I-
7 -
<N 6
IS*
5 4
a, <D 3
U о 1
(в)
0 20 60 100 140 180 0
40 80 120 160 Время моделирования, годы
20 60 100 140 180 0 40 80 120 160 200 Время моделирования, годы
20 60 100 140 180 40 80 120 160 200 Время моделирования, годы
Рис. 1. Динамика углерода органического вещества при естественном развитии: а - лесная подстилка, б - активное органическое вещество, в - стабильный гумус. Условия местообитания: 1 - сосняк лишайниковый (ТУМ B2), 2 - сосняк сложный мелкотравный (ТУМ B3), 3 - березняк волосисто-осоковый (ТУМ C3) (для рис. 1, 2, 4, 5, 7, 8).
3. Верховые пожары высокой частоты возникновения: раз в 33 года для В2, 50 лет - В3 и 80 лет -С3; процент сгорания отдельных элементов тот же, что и при обычной частоте.
Для оценки общей динамики органического вещества в лесных экосистемах системой моделей EFIMOD рассмотрена динамика четырех обобщенных пулов органического вещества. Первые два пула органического вещества лесной подстилки (слаборазложившаяся подстилка (горизонт L), среднеразложившаяся подстилка (комплекс гумусовых веществ и неразложившихся растительных остатков (горизонты F и H). И два пула органического вещества, находящихся в минеральных горизонта
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.