ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 8, с. 971-981
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 614.841.2:630*114.351:631.41:631.46
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЖАРОВ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МИКРОБНУЮ АКТИВНОСТЬ
ПОДСТИЛКИ КРИОГЕННЫХ ПОЧВ*
© 2014 г. О. В. Масягина, И. В. Токарева, А. С. Прокушкин
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036, Красноярск, Академгородок, 50, стр. 28
e-mail: oxanamas@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 08.08.2014 г.
Периодические низовые пожары в подзоне северной тайги в криолитозоне являются основным фактором, определяющим количественные и качественные характеристики почвенного органического вещества. Выявлены особенности изменения физико-химических параметров и микробной активности органических горизонтов мерзлотных почв лиственничников северной тайги после воздействия высоких температур, использованных в качестве симуляции условий, возникающих при низовых пожарах разной интенсивности. Установлено, что термическое воздействие на органическое вещество подстилок при низовых пожарах может вызывать лишь краткосрочное повышение эмиссий СО2 с поверхности почвы в постпирогенных сообществах за счет деструкции пула пиро-генных органических соединений. В условиях высокоинтенсивных пожаров со значительной минерализацией подстилок и в долгосрочной перспективе (>1 мес. после пожара) пирогенное воздействие на органические горизонты лиственничных лесов криолитозоны будет определять уменьшение эмиссий СО2 на свежих гарях по сравнению с интактными древостоями.
Ключевые слова: низовой пожар, северная тайга, органическое вещество.
Б01: 10.7868/80032180X14080097
ВВЕДЕНИЕ
Зона сплошного распространения многолетней мерзлоты (криолитозона) занимает около 25% площади суши [17, 25]. В Сибири она охватывает около 40% облесенных территорий, представленных лиственничниками, причем ареал распространения лиственницы совпадает с площадью мерзлотной зоны [14]. Лиственничные биогеоценозы, как и любые другие бореальные экосистемы, сформированные в мерзлотной зоне, подвергаются периодическому влиянию пожаров различной интенсивности [1, 11, 40].
В криолитозоне Средней Сибири преобладают низовые пожары, различающиеся по силе и продолжительности [40]. Так, площадь естественных пожаров в лиственничных экосистемах может составлять до 10—20 млн га/год [5, 11, 40]. Согласно оценкам, выполненным на основе анализа фондовых материалов и спутниковой информации, за последние десятилетия XX в. огневому воздействию только в центральной части Эвенкии еже-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Краевого государственного автономного учреждения "Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности" и РФФИ, проект № 11-04-01884-а.
годно подвергалось около 1.1—1.5% площадей лесного фонда [40]. Периодичность пожаров в бо-реальных лесах варьирует по разным данным от 30 до 500 лет [11, 22, 24, 33, 43]. Периодически повторяющиеся лесные пожары вносят значительные коррективы в направленность и характер ле-сообразовательного процесса. При этом в большинстве случаев лиственница Гмелина успешно сохраняет лесообразующую роль, что свидетельствует о ее высокой фитоценотической устойчивости и является причиной доминирования в условиях высоких широт [33].
Пожары, непосредственно воздействуя на древостой, напочвенную растительность и органическое вещество почв, ведут к значительному изъятию углерода из экосистемы в виде газообразных продуктов горения — от 2 до 60 т С/га в зависимости от силы пожара, количества горючих материалов, погодных условий и т.д. [5, 22, 30]. Немаловажно, что потери углерода как в газообразной (СО2), так и в подвижной (растворенный органический углерод) формах происходят не только в момент самого пожара, но и продолжаются во время восстановления экосистемы, а по концентрации могут в 2—6 раз превосходить величину углерода, выделившуюся непосредственно в про-
Таблица 1. Характеристика лиственничных насаждений на пробных площадях
Тип фитоценоза/вариант, координаты Древостой Тип почвы
Объект возраст, средняя запас, по [32] по [4]
лет Н, см Д1.3, см м3/га
ПП1 Л. багульниково-брусничный зеленомошный/"холодный", 64о19' с.ш., 100о14' в.д. 72-92 7.7 5.8 48.0 Турю АдиогШек Криометаморфиче-ские грубогумусовые, подтип типичные АО^М^
ПП2 Л. бруснично-голубичный зеле-номошно-лишайниковый/"теп-лый", 64о19' с.ш., 100о13' в.д. 149-260 8.7 11.1 44.7 Турю Нар1оШгЪек Криометаморфиче-ские грубогумусовые, подтип палево-мета-морфизованные AO-CRMp1-C
цессе горения [18, 21]. Изменения свойств почв и почвенных условий (влажности, температуры, гидрофобности, агрегатного состава, удельной плотности, количественных и качественных характеристик органического вещества (ОВ), кислотности и т.д.) после пожара способны ускорять процессы потерь углерода [6, 34]. Например, постпирогенное увеличение гидрофобности почв препятствует фильтрации мобильного ОВ с осадками в почву и интенсифицирует его вынос с поверхностным стоком [28].
Степень пирогенного воздействия на почву и, соответственно, на почвенное ОВ зависит от таких факторов, как интенсивность и продолжительность теплопереноса, теплопроводность, пористость и влажность почвы. Во время лесных пожаров температура на поверхности редко превышает 200—300°С, лишь в присутствии большого количества древесного детрита, валежника, температура может достигать от 500 до 1500° С [36]. Тем не менее, показано, что уже при температуре 200°С происходит потеря до 40% органического материала почвы [23, 38]. Снижение содержания отмечено для всех основных групп органических соединений, но с разной скоростью: на 70—80% — для целлюлозы и гемицеллюлозы, 50% — для лигнина и водорастворимых соединений, 10—25% — для липидов [23]. В результате на поверхности почвы, пройденной пожаром, формируется новый маломощный (не более 1 см) органогенный пирогенный горизонт (О рк), который по физико-химическим и биологическим свойствам значительно отличается от лесных почв [6, 12].
Пожары негативно сказываются на структуре и функциональной активности почвенных микробных комплексов, усиливая олиготрофность почвы в отношении азота и других питательных элементов, вследствие их потерь в газообразной и водорастворимой формах; изменяется соотношение отдельных групп микроорганизмов (аммони-
фикаторов, целлюлозоразрушающих микроорганизмов, грибов, актиномицетов) [9].
В данной работе сделана попытка оценить в лабораторных условиях влияние пирогенного фактора различной интенсивности (на примере разных температурных режимов нагревания: 200, 300 и 400°С) на: 1) физико-химические свойства (рН, удельную электропроводность, содержание водоэкстрагируемого органического углерода) и 2) биологическую активность (базальное и суб-страт-индуцированное дыхание микроорганизмов) подстилок основных типов лиственничных биогеоценозов криолитозоны Средней Сибири.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
С целью моделирования условий различных сценариев изменения климата, образцы органического слоя мерзлотных почв отбирали в лиственничных древостоях на разных элементах рельефа (северной и южной экспозиции, соответственно — "холодный" (ПП1) и "теплый" (ПП2) варианты), контрастных по гидротермическим условиям, расположенных в низовьях р. Кочечум — правого притока р. Нижняя Тунгуска в подзоне северной тайги на Эвенкийском опорном экспедиционном пункте Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (п. Тура) (табл. 1). Район исследований характеризуется резко континентальным климатом (среднегодовая температура —9.1°С, средняя температура января около минус 36.7°С, июля — 16.5°С, годовое количество осадков — 371 мм) и сплошным распространением много-летнемерзлых почв. Продолжительность вегетационного периода составляет 69—80 дней [6].
Объектами исследования служили лесные подстилки, отобранные на учетных площадках (20 х 25 см) в 6-кратной повторности в пределах пробных площадей в лиственничнике багульни-ково-брусничном зеленомошном (ПП1) и брус-
Таблица 2. Фитоцентическая и климатическая характеристика пробных площадей
Объект Толщина подстилки, см (по [38]) Видовая характеристика напочвенного покрова, количество видов (по [3]) Температура почвы на глубине, °С*
0 см 10 см
ПП1 ПП2 15-23 8-10 Сосудистые растения — 17, мхи — 11, лишайники — 9 Сосудистые растения — 34, мхи — 14, лишайники — 11 4.2 8.1 3.4 7.2
* Средняя температура почвы в течение вегетационного периода (июнь—сентябрь), 0 см — поверхность минеральной почвы.
нично -голубичном зеленомошно - лишайнико -вом (ПП2, табл. 1, 2).
Лесоводственно-таксационное описание, позволяющие достоверно оценить состояние всех исследуемых компонентов древостоя, проводилось согласно общепринятым в лесной таксации методикам [13]. Фитоценологическое описание напочвенного покрова сделано по общепринятым методикам [3]. Исследуемые лиственничники отличались между собой по возрастным и ле-соводственно-таксационным характеристикам, биологическому разнообразию напочвенного покрова, толщине подстилки и температурным параметрам почвы.
Для подготовки экспериментальной пробы из образцов подстилки в полевых условиях удаляли крупный детрит и живые корни (>2 мм), после чего материал доводили до воздушно сухого состояния, гомогенизировали и просеивали через сито 2 мм. Далее фракции <2 мм со всех учетных площадок в пределах одного типа леса объединяли.
Содержание органического углерода и азота в подстилке определяли на элементном анализаторе Elementar Vario EL (Германия), а долю термолабильной фракции оценивали по отношению потерь при прокаливании при температуре 250 и 550°C в муфельной печи SNOL-1100 (Латвия). Количество карбонатов в подстилке оценивали по отношению потерь углерода при сжигании в муфельной печи при температуре 400 и 900°C.
В лабораторных условиях полученный материал подстилок нагревали при трех опытных температурах: 200, 300 и 400°C. Нагревание производилось в муфельной печи в фарфоровых чашках в течение 3 ч.
Навески (50 г) исходных, а также подвергшихся нагреву подстилок помещали в конические колбы объемом 300 см3 в 3-кратной повторности. Далее материал в колбах инокулировали из расчета 1 г инокулята на 5
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.