8
На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Влияние низовых пожаров на органическое вещество почвы в криолитозоне Центральной Эвенкии
Специальность 03.02.08 - экология (биология)
Богданов Вячеслав Владимирович
Красноярск - 2010
Работа выполнена в лаборатории лесоведения Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН.
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Прокушкин Станислав Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, доцент Сорокина Ольга Анатольевна
доктор биологических наук, профессор Безкоровайная Ирина Николаевна
Ведущая организация ГОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет
Защита состоится « 21 » января 2010 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90.
Тел/факс 8(391)227-36-52
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан « » декабря 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор биологических наук, профессор Г.А. Демиденко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Пожары в лесах бореальной зоны - один из основных факторов, дестабилизирующий лесные экосистемы и регулирующий формирование новых послепожарных биогеоценозов (Абаимов и др., 1997; Софронов и др.,2000). Только в криолитозоне Средней Сибири ежегодно действию низовых пожаров подвергаются около 320 тыс. га (Абаимов, 1996; Иванова, 1996; Софронов, Волокитина, 1998).
В результате их действия нарушается естественная динамика развития биогеоценозов и вносятся существенные изменения в запасы органического вещества и потоки углерода в пирогенный и постпирогенный периоды. Кроме того, они коренным образом влияют на гидротермические и эдафические условия, что сказывается на биологической и биохимической активности почв и, как следствие, изменение в ней количественного и качественного состава органического вещества (Цветков и др., 1998; Абаимов, 2004; Софронов и др., 2000).
Влияние пирогенного фактора на эти свойства почв в криолитозоне Средней Сибири мало изучены. В связи с этим, выяснение экологической роли низовых пожаров в трансформации органического вещества в криогенных почвах имеет актуальное значение, как с научной, так и с практической точки зрения.
Цель работы: оценить влияние низовых пожаров на количественный и качественный состав почвенного органического вещества (ПОВ) и его трансформацию в послепожарных сукцессиях в условиях криолитозоны Центральной Эвенкии.
Задачи. Для решения этой проблемы были поставлены следующие задачи:
Определить запасы почвенного органического вещества в лиственничных насаждениях, его потери и восстановление в послепожарный период.
Выявить особенности трансформации почвенного органического вещества в лиственничниках послепожарной генерации.
Оценить динамику восстановления количественного и качественного состава почвенного органического вещества в постпирогенных лиственничниках на склонах разной экспозиции.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Исследованы запасы живого напочвенного покрова и подстилок в лиственничниках разного возраста и определены их потери при низовых пожарах, а также изучено их послепожарное восстановление.
2. Во фракционном составе почв пирогенных лиственничников криолитозоны происходит увеличение гуминовых кислот, в то время как содержание водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ) в почвах снижается, однако к возрасту 56 - летней давности он достигает допожарных величин.
3. Низовые пожары изменяют качественный состав органического вещества подстилок и почв, в лиственничниках криолитозоны.
4. Экспозиции склонов влияют на количественный и качественный состав почвенно - органического вещества в криолитозоне Средней Сибири.
Научная новизна. Впервые для Центральной Эвенкии выявлено влияние пирогенного фактора на количественный и качественный состав почвенного органического вещества и отмечен период его послепожарного восстановления в условиях криолитозоны.
Практическое значение. Изучение трансформации органического вещества в зависимости от действия пирогенного фактора в исследуемом регионе позволяет выяснить их регионально-локальную специфичность и понять сущность процессов и их экологическую роль в трансформации органического вещества в мерзлотных почвах.
Кроме того, впервые получены данные о количественном и качественном составе ПОВ в постпирогенных лиственничниках в криолитозоне Центральной Эвенкии.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены: на конференции молодых ученых, прошедшей на английском языке в Институте леса СО РАН, «Исследование компонентов лесных экосистем Сибири», вып. 9, Красноярск, 2008; на всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Н.П. Курбатского, «Пожары в лесных экосистемах Сибири» Красноярск, 2008; на конференции молодых ученых в Институте леса СО РАН «Исследование компонентов лесных экосистем Сибири», вып.10, Красноярск, 2009. По изучаемому вопросу была опубликована статья в Вестнике КрасГАУ «Влияние низовых пожаров на подвижность органического вещества почвы в лиственничниках криолитозоны Средней Сибири» - Красноярск 2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы, в том числе одна из них в журнале, рекомендуемом ВАК Российской Федерации для опубликования результатов исследования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 136 страницах, включает 6 таблиц, 38 рисунков. Список использованной литературы включает 170 наименований, в том числе 42 - на английском языке.
Личный вклад автора. Обзор литературных данных, сбор полевых материалов и их лабораторные анализы, математическая обработка, анализ полученных данных и их обоснование проводились непосредственно автором.
Благодарности. Автор искренне благодарен руководителю д.б.н., профессору. С.Г. Прокушкину за общее методическое руководство в ходе выполнения работы. Автор признателен к.б.н., с.н.с. зав. лабораторией биогеоценологии А.С. Прокушкину за ценные консультации и содействие в выполнении работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Органическое вещество почвы и роль пожаров в его трансформации
Данная глава носит обзорный характер, в ней дано понятие «почвенное органическое вещество» (ПОВ) в лесных экосистемах. Рассмотрены его запасы, формы, классификация и трансформация под влиянием низовых пожаров. Показана их роль как основного фактора коренных изменений естественной динамики развития бореальных лесов Сибири.
В лиственничных насаждениях Сибири, занимающих около 40% лесопокрытой площади лесов России, сосредоточено почти половина всего запаса углерода лесных экосистем страны (Абаимов и др. 1997; Плешиков и др. 2002). Органическому веществу почв принадлежит одно из главных мест в формировании практически всех типов почв.
Первичным и основным источником ОВ в почвах являются наземный опад растений, их экзометаболиты и сапролины, остатки почвенных беспозвоночных и микроорганизмов (Тюрин, 1965; Александрова 1981). Влияние огня на важнейший компонент леса - почву чрезвычайно сложно, неоднозначно и зависит от множества факторов: характеристик пожара, особенностей растительности и почвы (Мелехов, 1983; Бузыкин, 1975).
Следствием лесных пожаров является их влияние на потоки углерода в региональных и глобальных масштабах, обусловленное пирогенными и постпирогенными эмиссиями углерода в атмосферу. Вместе с тем существенный интерес вызывает трансформация количественных и качественных параметров органического вещества почв, сохраняющегося после пирогенного воздействия.
Глава 2. Природно-климатические условия, объекты и методы исследований
Климатические условия изучаемого района, в силу его географического положения на севере внутренних областей континента, крайне суровы и в то же время весьма разнообразны, что обусловлено многообразием ландшафтных комплексов и их геоморфологических особенностей.
В целом, район исследований характеризуется континентальным климатом, что проявляется как в значительных сезонных температурных колебаниях, так и в количестве и распределении осадков по территории (Герасимов, 1964). Леса представлены лиственницей Гмелина (Larix gmelini) с преобладанием кустарниково-мохово-лишайниковой группы типов леса. Для них свойственны низкорослость, тонкомерность, небольшие запасы древесины. Почвенный покров представлен палео-подбурами (верхние склоны плато), криоземами гомогенными (склоны), палевыми гранулоземами, криоземами тиксотропными (террасовые поверхности) (Ершов, 1998). биологический пирогенный послепожарный почва
Исследования проводились в течение 2007-2009 гг. на постоянных и временных пробных площадях Эвенкийского опорного пункта Института леса СО РАН, расположенных в бассейне среднего течения р. Нижняя Тунгуска (центральная часть Среднесибирского плоскогорья, координаты 64о18' с.ш., 100о11' в.д.).
Для оценки последствий пожаров в качестве объектов исследования в этих насаждениях, включая склоны разной экспозиции, были выбраны гари разного возраста - 1 (2005), 12(1993), 13 (1994), 17 (1990), 25 (1981) и 56 (1951) годов и, соответственно, не пройденные пожаром контрольные лиственничники. На всех выбранных пробных площадях были заложены трансекты (20х1м), где фиксировали элементы микрорельефа, и далее в 3 - 5 - кратных повторностях были заложены учетные площадки (20 х 25 см) на буграх пучения и в западинах. На выбранных учетных площадках был проведен учет запасов живого напочвенного покрова (ЖНП) и подстилки. Образцы почвы брали буром (100 см) по горизонтам: 0-5, 5-10 см. непосредственно под собранной подстилкой в двукратной повторности.
Содержание общего углерода в подстилках и почвах определяли на элементном анализаторе Elementar Vario EL (Германия). Определение содержания водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ) в почве и подстилке проводили в водной вытяжке, при соотношении 1:10 (образец : вода) по методике И.С. Кауричева и др, 1977.
Полученные растворы фильтровали через нитроцеллюлозный фильтр диаметром пор 0.22 мкм. Углерод определяли по методу И.В. Тюрина, выпаривая фильтрат. Кислотность почв и подстилок определяли в водной вытяжке на иономере - кондуктометре Анион-7051 (г. Новосибирск, Россия).
Определение качественного состава гумуса проводили по методике Тюрина в модификации Пономоревой - Плотниковой. Для чего полученные растворы фильтровали через нитроцеллюлозный фильтр диаметром пор 0.22 мкм.
В подстилках и почвах определяли также содержание ОВ по потере массы при прокаливании. Исследования термического воздействия на подстилки и почвы проводили в диапазоне температур 150, 200, 250,300,400,500 - 6000 С.
Для этого образцы выдерживали в муфельной печи SNOL - 1100 (Латвия) при каждой из указанных температур в течение двух часов. Предварительно образцы в двукратной повторности высушивали до а.с. массы с точностью до 0,1 мг. и взвешивали для определения изменения массы ( с точность 0.1 мг).
Глава 3. Влияние низовых пожаров на запасы напочвенного покрова и углерода в послепожарных лиственничниках Центральной Эвенкии
3.1 Послепожарная динамика восстановления живого напочвенного покрова в лиственничниках
В условиях Центральной Эвенкии биомасса живого напочвенного покрова в большинстве лиственничников равна или превышает запасы древесного яруса, достигая 40 - 120 т га-1 (Каджимото, 1999, Прокушкин и др., 2001). В связи с этим роль ЖНП в формировании и накоплении углерода в почвах лиственничников послепирогенной генерации очень велика, так как в зависимости от характера низовых пожаров происходит почти полное его уничтожение (рис.1).
Рис. 1. Запас живого напочвенного покрова на гарях разного возраста, г м-2 а.с.м.
При этом на участках с невыраженным микрорельефом происходит равномерное прогорание и уничтожение более 90 % нижних ярусов фитоценозов, что приводит затем к формированию так называемых «черных гарей». В то же время при выраженном микрорельефе, который в большинстве случаев хорошо развит в криолитозоне, бугристо-западинные и грядово-западинные формы микрорельефа предопределяют почти полное сохранение ЖНП в пониженных элементах, что способствует быстрому восстановлению послепожарной структуры растительного покрова (Бугаенко, 2002).
В зоне распространения многолетней мерзлоты периодически повторяющиеся низовые пожары являются важным дестабилизирующим фактором, вносящим значительные коррективы в количественные характеристики живого напочвенного покрова.
Проведенные исследования живого напочвенного покрова показали что его запасы в зависимости от возраста гари увеличиваются от 66,3 в первый год после пирогенного воздействия до 1065,9 г/м-2 - на гари 56 - летней давности (рис.1)