ЭКОЛОГИЯ, 2015, № 1, с. 23-32
УДК 614.841.2:630*182.21:631.4:631.46
ДИНАМИКА ДЫХАНИЯ ПОЧВЫ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ПОСЛЕПОЖАРНОЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ СУКЦЕССИИ НА ПРИМЕРЕ РАЗНОВОЗРАСТНЫХ ГАРЕЙ ЭВЕНКИИ
© 2015 г. О. В. Масягина, С. Ю. Евграфова, С. В. Титов, А. С. Прокушкин
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036Красноярск, Академгородок е-шаП: oxanamas@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 26.07.2013 г.
В лиственничных насаждениях различного возраста, сформированных на мерзлотных почвах и представляющих стадии послепожарной сукцессии, был проведен анализ эмиссий СО2 и микробиологической активности почв. В молодняках (15—30 лет) отмечено резкое возрастание почвенных эмиссий СО2 (более чем в 2 раза), а на более поздних стадиях послепожарных сукцессий, вследствие восстановления мохово-лишайникового покрова и смыкания полога древостоя, — снижение интенсивности почвенного дыхания. Кроме того, выявлены внутрисезонные и погодичные изменения почвенных потоков СО2, однако их динамика в значительной степени определялась локальными условиями.
Ключевые слова: дыхание почвы, эмиссия С02, температура почвы, влажность почвы, микробное дыхание, пожары, мерзлотные почвы, лиственничники.
Б01: 10.7868/80367059715010114
Пожары являются важным экологическим фактором в формировании и устойчивом функционировании лиственничных экосистем крио-литозоны Средней Сибири (Абаимов и др., 2004). Взаимодействуя с климатом и лесорастительными условиями, они контролируют возрастную структуру и мозаичность растительности, а также энергетические потоки и биогеохимические циклы элементов (Абаимов и др., 2004; ШЛИ й а1., 2002).
По разным оценкам запас углерода в почвах бореальных лесов составляет от 12 до 50% его пула наземных экосистем (471-1024 Пг; 1РСС, 2001; Тагпоеа1 й а1., 2009). Принимая во внимание огромные запасы углерода в почве и ее органическом горизонте, повторяющиеся пожары могут способствовать их трансформации из зоны стока углерода в его источник (1РСС, 2001; Харук и др., 2005), в том числе вследствие таяния многолетней мерзлоты и высвобождения углерода, захороненного в ней.
Лиственничники занимают территорию около 270 млн га, преимущественно в криолитозоне Северной Евразии (Тагпоеа1 й а1., 2009), которой свойственна высокая природная пожарная опасность по причине накопления большого количества лесных горючих материалов (8о!хопоу, \01ok-Шпа, 2009). Как следствие, подавляющая часть
современных ландшафтов северной тайги представляет собой стадии послепожарных возобновительных сукцессий. Периодичность пожаров в лиственничных лесах варьирует от 30 до 500 лет (Харук и др., 2005). Следует отметить, что за последние полвека как в Северной Америке, так и в Сибири наблюдаются возрастание пожарной опасности и сокращение межпожарного интервала, нижняя граница которого в настоящее время составляет около 25 лет (Конард, Иванова, 1998; Kasischke et al., 1995). Возрастание частоты пожаров может способствовать сохранению доминирования лиственницы в криолитозоне, поскольку она является наиболее огнестойким видом, и дальнейшему ее продвижению в зону тундры (Ха-рук и др., 2005; Schulze et al., 2012).
В настоящее время пожары и пиролиз биомассы вместе составляют около 20—50% от антропо-геной эмиссии СО2, образующегося при сжигании ископаемого топлива (2—5 Пг C год-1 против 9.1 Пг C год-1) (Andreae, Merlet, 2001; Peters et al., 2012). Вклад пожарных эмиссий в умеренных и бореальных лесах составляет от 15 до 40% от величины глобальных пирогенных эмиссий (Auclair, Carter, 1993). Во время пожаров в хвойных боре-альных лесах в атмосферу выделяется примерно 25% углерода, содержащегося в биомассе, в про-
цессе ее прямого горения (Stocks, Kauffman, 1997) и 25—75% углерода в результате минерализации органического слоя почвы (Dyrness et al., 1989). При этом количество углерода, поступающего в атмосферу во время горения поверхностного органического слоя в бореальных лесах и торфяниках, варьирует от 2—15 т С га-1 в биогеоценозах с малыми запасами ПОВ и при низовых пожарах слабой интенсивности (Stocks, Kauffman, 1997) до 40-60 т С га-1 при интенсивных низовых пожарах на участках с более мощным органическим слоем (Конард, Иванова, 1998).
После пожарного воздействия изменения в продуктивности растительного покрова, количе-ственнном и качественном составе остаточного органического вещества, а также гидротермическом режиме почв оказывают существенное влияние на величину потока углерода из почвы (Burke et al., 1997). Прежде всего при изучении послепожарных ассоциаций главный интерес представляет органическое вещество таких компонентов лесного биоценоза, как подстилка и почва, которые в отличие от полностью уничтожаемого при низовых пожарах мохово-лишайни-кового яруса сохраняются, претерпевая значительные изменения (Прокушкин и др., 2008).
В отличие от других дестабилизирующих факторов пожары могут изменять и гидротермический режим мерзлотных почв на годы и десятилетия после воздействия, что в свою очередь сказывается на скорости послепожарной деструкции органического вещества почвенной микрофлорой и интенсивности биогенной эмиссии углерода (Kasischke et al., 1995). После пожара исчезновение полога, уничтожение изолирующего мохового покрова, а также снижение альбедо поверхности почвы вследствие обугливания органического материала вызывают повышение почвенных температур и увеличение деятельного слоя почвы (Neary et al., 1999). Соответственно повышенная температура почвы после лесных пожаров может привести к увеличению эмиссии СО2 из почвы в атмосферу благодаря усилению микробной активности (Bissett, Parkinson, 1980). По некоторым оценкам количество углерода, выделившегося в атмосферу посредством постпиро-генных эмиссий СО2, в бореальных и умеренных лесах от 2 до 6 раз больше по сравнению с величиной углерода, выделившейся в процессе прямого горения биомассы (Auclair, Carter, 1993; Amiro, 2001). В мерзлотных почвах изменение гидротермического режима, а именно увеличение деятельного слоя почвы, способно вызвать увеличение эмиссий СО2 из почвы за счет разложения ПОВ, аккумулированного ранее в мерзлоте (Tarnocai etal., 2009).
В целом почвенное дыхание является интегральной величиной экосистемных процессов,
включающих педогенез, трансформацию почвенного органического вещества (ПОВ), деятельность корней растений и почвенных микроорганизмов, и широко используется для оценки влияния нарушений на функционирование лесных экосистем (Jong et al., 1974). В настоящее время накоплено достаточно много данных относительно влияния пожаров на почвенное дыхание в арктических и субарктических экосистемах (Amiro, 2001; Bond-Lamberty et al., 2004; Czimczik et al., 2006), но относительно немногие из них посвящены исследованию северотаежных регионов Сибири (Schulze et al., 1999; Masyagina et al., 2009). При этом имеющиеся в литературе величины почвенных эмиссий могут различаться на два порядка вследствие отличий биоклиматических и почвенных условий районов исследований.
Принимая во внимание потенциальный эффект пирогенного фактора на высокоширотные лесные экосистемы и значительные запасы углерода в почвах и многолетней мерзлоте, цель настоящей работы заключалась в исследовании динамики эмиссии СО2 (почвенного дыхания) в разновозрастных лиственничниках, восстанавливающихся в процессе послепожарной сукцессии в условиях сплошного распространения мерзлоты криолитозоны Средней Сибири. Подробно изучены такие компоненты эмиссии углекислоты, как почвенное микробное дыхание и общее почвенное дыхание, характеризующее общее количество СО2, выделяющееся с поверхности напочвенного покрова в динамике в процессе по-слепожарной сукцессии.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследований были выбраны лиственничные леса и редколесья подзоны северной тайги севера Средней Сибири, сформированные лиственницей Гмелина на мерзлотных почвах, периодически испытывающих пожарное воздействие разной интенсивности (низовые пожары). Натурные измерения проводили на участках свежих гарей, пожарищ, послепожарных лиственничных молодняков и пройденных пожарами в прошлом зрелых и перестойных лиственничных насаждений (соответственно 1, 16, 29, 119 и 141 год после пожара в 2010 г.) со сходными геоморфологическими характеристиками (см. таблицу). "Молодые" послепожарные участки были пройдены сильным беглым низовым пожаром (1 и 29 лет) и устойчивым низовым пожаром средней интенсивности (16 лет) (Абаимов и др., 2004). Датировку пожаров в лиственничных древостоях старшего возраста осуществляли по пожарным подсушинам на спилах 3—5 деревьев дендрохро-нологическими методами (Харук и др., 2005).
Характеристика пробных площадей*
Возраст гари, лет Координаты, тип фитоценоза, год и вид пожара Толщина напочвенного покрова, см** Древостой** Тип почв***
Состав, возраст (лет) Среднее Запас, 3 -1 м3 га-1
Н, см Д1,3, см
1 64°14' с.ш., 100°10' в.д., 260 м над ур. м., лиственничник кустарничково-зеленомошный с подлеском из душекии. Низовой пожар в 2009 г. 3 -1 0 10 Лц (1 ) 0 .2 6 .9 0. 0 7. 2 3IÖ Криометаморфи-ческие грубогуму-совые, подтип типичные АО-СКМ-С
1 0-25 10 Лц (8C-10 0 )
16 64°19' с.ш., 100°12' в.д., 230 м над ур. м., лиственничник бруснично-го-лубичный зеленомош-но-лишайниковый. Устойчивый, средний низовой пожар в 1994 г. 2 -1 0 10 Лц ( 16 ) ОО I 0. 8. 0.8 1 1 .1 8 .0 44.7 Криометаморфи-ческие грубогуму-совые, подтип па-лево-метамор-физованные AO-CRMpl-C
3 -27 10 Лц(1 45 -275 )
29 64°21' с.ш., 100°14' в.д., 203 м над ур. м., лиственничник кустарничково-зеленомошный. Сильный, беглый низовой пожар в 1981 г. 4 -7 10 Лц ( 29 ) 3 .8 7 .4 2. 2 6. 5 9.2 3 3.9 Криометаморфи-ческие грубогуму-совые, подтип па-лево-метамор-физованные АО-СКМр1-С
9 -23 1 0 Лц ( 8 0 - 100 )
119 64°21' с.ш., 100°14' в.д., 204 м над ур. м., лиственничник кустарничково-зеленомошный (контроль гари 1981 г.) 7.2 6.5 28 Криометаморфи-ческие грубогуму-совые, подтип типичные АО-СКМ-С
8 -1 6 1 0 Лц (1 19 )
141 64°12' с.ш., 100°27' в.д., 190 м над ур. м., лиственничник кустарничково-лишайниково-зелено-мошный 4.2 40
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.