ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ
УДК 631.48
ПОСТПИРОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЧВ И ЗАПАСОВ ПОЧВЕННОГО УГЛЕРОДА В ПРЕДТУНДРОВЫХ РЕДКОЛЕСЬЯХ КОЛЫМСКОЙ НИЗМЕННОСТИ: КАСКАДНЫЙ ЭФФЕКТ И ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ1
© 2015 г. Н.С. Мергелов
Институт географии РАН, Москва, Россия; mergelov@igras.ru Поступила в редакцию 20.10.2014 г.
Установлено, что высокое разнообразие плакорных экосистем предтундровых редколесий Нижней Колымы обусловлено частыми пожарами. От силы и давности пожара зависит тип сукцессий, мощность деятельного слоя, степень оглеенности почвенного профиля, интенсивность процессов криогенного массообмена, величина запасов углерода, классификационный статус почв. Постпи-рогенные трансформации растительности, почв и древесных пород развиваются по каскадному принципу, когда каждое предыдущее изменение генерирует и усиливает последующее изменение. Активно работают механизмы обратных связей. В первые годы после пожара наблюдается ожидаемое снижение запасов углерода органогенных горизонтов (А = -3.4 кг С /м2), однако на более поздних стадиях возникает постпирогенный эффект избыточного (по отношению к первоначальному) накопления ОВ на минеральной поверхности (А = +1.7 кг С/м2). Такие последствия пожаров как опускание-поднятие кровли мерзлоты и интенсификация криогенного массообмена в условиях активного накопления органического вещества верхних горизонтов могут приводить к постпирогенному росту пула углерода минеральной толщи (А = +2.5 кг С/м2). Время, необходимое для восстановления после сильного пожара исходных запасов почвенного Сорг, составляет 60-200 лет.
Ключевые слова: предтундровые редколесья, почвы, почвенный углерод, деятельный слой, лесные пожары, экстремальные условия почвообразования, пирогенные катастрофы.
Введение. Воздействие лесных пожаров на ландшафт в криолитозоне часто сопровождается каскадным эффектом - за катастрофическим изменением растительного покрова следуют быстрые и нарастающие изменения температурного и гидрологического режимов почв и пород, состояния кровли многолетнемерзлых пород, меняется углеродный обмен почв с атмосферой и т.д. Это вновь оказывает влияние на растительность в связи с инициированием механизмов обратной связи. С экологической точки зрения, лесные пожары в пределах криолитозоны более опасны, чем за ее пределами, так как вызывают существенно иные
1 Работа выполнена в рамках темы программы фундамен-
тальных исследований Президиума РАН П-44 "Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации" и гранта РНФ № 14-27-00133 (концептуальное обобщение полученных ранее данных).
и долговременные экологические последствия по сравнению с другими природно-климатическими областями [14].
Изучение постпирогенной трансформации ландшафтов позволяет оценить реакцию геосистем на экстремальные колебания значений факторов, а также помогает изучить возможный их предельный отклик, например, на быстрые и резкие климатические изменения. Последние сопоставимы по характерному времени с изменениями биоты, экосистем и их сукцессий [17, 18]. Каскадный эффект в системе "растительность-почва-мерзлые породы" при лесных пожарах можно рассматривать как аналог трансформации геосистем по каскадному типу при глобальных изменениях.
Большая часть территории Колымской низменности сложена многолетнемерзлыми высокольди-
стыми отложениями лёссово-ледового комплекса. Эти породы плейстоценового возраста, сложного эолового и аллювиального генезиса представляют собой субстрат чрезвычайно чувствительный к климатическим изменениям и тем более к пиро-генным катастрофам и подверженный деградации по каскадному типу. Отложения содержат 1-2% органического углерода в виде детрита и темного гумуса [5-7]. Большая часть органического вещества законсервирована в мерзлом состоянии. При повышении температур отложений и залегающих на них почв запускаются по каскадному принципу процессы термокарста и термоэрозии, усиливается криогенный массообмен, а древний органический углерод включается в современные циклы. Такие последствия могут оказывать влияние на климатические параметры благодаря увеличивающейся эмиссии парниковых газов. Учитывая, что площадь, занимаемая отложениями лёссово-ледового комплекса, в России составляет не менее 1 000 000 км2, каскадный эффект при их деградации может быть значительным.
Известно, что дневные почвы тундры и пред-тундровых редколесий на многолетнемерзлых отложениях на северо-востоке России также содержат значительные запасы органического углерода (оценки колеблются - 20-45 кг/м2 для тундровых и 20-60 кг/м2 для "мерзлотно-таежных" почв [10]; 7.6-13.2 кг/м2 в среднем для зональных почв тундры и лесотундры Якутии [21]; 15.1 кг/м2 для почв предтундровых редколесий Колымской низменности [12]) и очень чувствительны к резким изменениям внешних факторов.
Хотя большую часть Колымской низменности занимает тундра, предтундровые редколесья предпочтительны для изучения масштабных катастрофических изменений, связанных с пожарами. Слабое разложение растительного опада в лесах мерзлотного региона приводит к накоплению такого количества горючего материала, которое при континентальном климате в засушливые сезоны становится источником возникновения лесных пожаров [3]. Многие сомкнутые бореальные леса могут быть менее горючими, чем редкостойные, в которых отсутствие конкуренции за освещенность приводит к сохранению нижних ветвей, а солнечная радиация и ветер легче проникают к поверхности почвы и высушивают мохово-ли-шайниковый покров до пожароопасного состояния [32-34].
Кроме того, важна роль огня в процессах обез-лесивания, которая возрастает по периметру ареала лесных экосистем, например, в предтундровых редколесьях. Известно, что огонь определяет формирование "полосы относительного безлесья
тундры" на севере Евразии (от 100 до 300 км шириной), когда климат и грунты благоприятны для лесной растительности, но периодические пожары препятствуют развитию деревьев. С другой стороны, уничтожение огнем мохового покрова в лесотундровом экотоне при поступлении семян деревьев может благотворно сказываться на лесовозобновлении, но на короткий срок. Впоследствии развитие в лиственничнике сплошного ковра из зеленых мхов, образующих торфянистый горизонт, способствует поднятию кровли многолетнемерзлых пород, заболачиванию почвы и поселению сфагновых мхов [19]. Понижение температуры и ухудшение аэрации почвы вызывают гибель корней лиственницы, изреживание и отмирание древостоя. А.П. Тыртиков [19] считал, что лес на северном пределе отступает к югу не столько под влиянием изменений климата, сколько под воздействием процессов заболачивания, вытеснения его тундровой растительностью и пожаров.
Существует и другая гипотеза касательно смещения границы лес-тундра. Появление леса меняет энергетический баланс. За счет большего поглощения энергии [24, 25] больше тепла поступает в почвы, следовательно, они глубже протаивают [33]. Срабатывает механизм положительной обратной связи - чем больше тепла благодаря лесной растительности поступает в почву, тем больше она тает, тем лучше себя чувствуют корневые системы и собственно деревья. Лес начинает наступать на открытые пространства, в особенности на своем северном пределе, что наблюдается в ряде ситуаций [31; 33]. Однако этот механизм не реализуется на высокольдистых мерзлых отложениях. Так как вслед за прогревом высвобождаются огромные запасы влаги, которые приводят к заболачиванию, формированию блокирующего поступление семян в почву сфагнового покрова, т.е. запускается механизм, описанный А.П. Тыртиковым. Кроме того, в результате пожаров в редколесьях Северо-Востока Якутии на льдонасыщенных грунтах образуются термокарстовые озера, болота, аласы, которые недоступны для леса длительные периоды (п • 101-103 лет) до начала естественной эволюционной стадии осушения.
В Якутии только за период с 2004 по 2009 гг. от 1337 лесных пожаров выгорели биотопы на общей площади 682 300 га и образовались гари суммарной площадью 482 750 га [14]. В целом же почти за четыре столетия хозяйственного освоения региона практически не осталось лесных массивов (на 88% представлены лиственничниками), в той или иной степени не затронутых огнем
[14-16]. Сведений о постпирогенном функционировании экосистем на северном пределе распространения древесной растительности именно Колымской низменности практически нет.
По совокупности перечисленных фактов лиственничные предтундровые редколесья Колымской низменности были выбраны в качестве приоритетного ключевого участка для оценки постпирогенной трансформации системы "растительность-почва-мерзлые породы".
Объекты и методы исследований. Исследования растительного и почвенного покровов проводили в лиственничных предтундровых редколесьях на правом берегу Колымы в окрестностях пос. Черский (68° с. ш., 161° в. д.) на территории общей площадью 130 км2. Здесь расположен один из наиболее континентальных с точки зрения климата участков на северном пределе распространения древесной растительности. За год выпадает 150-300 мм осадков, при этом на летний период приходится всего 60-130 мм. Сред-нелетняя величина коэффициента увлажнения по Иванову составляет 0.6-0.8. Наряду с достаточно высокими летними температурами и большими запасами напочвенного горючего материала в лиственничниках (основная порода Ьапх cajanderi) это создает предпосылки для возникновения пожаров. Последние являются в основном антропогенными, т.к. грозы крайне редки. Региональной особенностью лиственничных лесов является их адаптация к засушливому климату и периодическому воздействию огневого фактора, в связи с чем можно говорить о своеобразной пирофит-ности лиственницы Каяндера и пирофильности образуемых ею лесов [8].
В основу исследования легли данные полевых наблюдений (всего 85 почвенных разрезов), и космические снимки высокого разрешения (1копо8, разрешение 1 • 1 м). Основными объектами исследования стали суглинистые криогидроморф-ные глеевые и неглеевые почвы предтундровых редколесий Колымской низменности, формирующиеся на отложениях лёссово-ледовог
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.