При проведении анализа накопления ЖНП в зависимости от микрорельефа, выявлено, что его запасы на гарях в микроповышениях несколько меньше, чем в микропонижениях, и варьируют от 24,1 - на гари первого года после сильного беглого низового пожара до 768,2 г/м-2 - на гари 56 - летней давности, а в микропонижениях - от 108,4 до 1363,8 г/м-2 соответственно. Микрорельеф криолитозоны, оказывая существенное влияние на гидротермический режим и эдафические условия экотопа, предопределяет характер послепожарных изменений растительности.
Бугристо - западинные и грядово - западинные формы микрорельефа предопределяют сохранение на пониженных формах микрорельефа элементов допожарной синузиальной структуры и способствует быстрому восстановлению структуры растительных сообществ после пожаров.
В местообитаниях с мелкокочковатым микрорельефом этот процесс замедляется, поскольку складываются условия для беспрепятственного прохождения огня. При этом слабый низовой пожар не разрушает полностью структуру сообщества, что способствует более быстрому восстановлению растительности, в то время как после сильного беглого низового пожара вертикальная структура пирогенной ассоциации формируется через 20 и более лет после пирогенного воздействия. В результате выполненных исследований отмечено преимущество применения микроэкосистемного подхода при оценке действий и последствий пожаров в лиственничниках мерзлотной зоны.
3.2 Послепожарная динамика восстановления подстилки в лиственничниках
Рассматривая влияние пирогенного фактора на запас подстилки в послепожарных лиственничниках на гарях разного возраста, отмечено, что их запасы изменяются по сравнению с контролем от 487,7 до 1756,6 г/м2, а для гарей от 267,2 - 1693,5 г/м2 (рис. 2).
Выполненные исследования позволили охарактеризовать динамику восстановления подстилок с возрастом гарей. В целом, динамика ее послепожарной аккумуляции на гарях идет достаточно интенсивно и ее восстановление до исходного уровня достигается уже через 56 лет.
Рис. 2. Запас подстилки на гарях и контрольных насаждениях, г м-2 а.с.м.
А на гари 25 - летней давности в лиственничнике кустарничково - зеленомошном в результате слабого восстановления мохово-лишайникового яруса аккумуляция подстилки произошла незначительно.
Таким образом, разрушение лесной подстилки в результате пожаров средней и сильной интенсивности приводит к существенному снижению ее запасов.
При этом накопление массы подстилки зависит не только от возраста гари и сложившихся гидротермических условий, но и от особенностей восстановления видового состава, в частности, от степени возобновления древостоя и его густоты.
3.3.1 Содержание общего углерода в подстилках постпирогенных лиственничников
Изучение воздействия низовых пожаров на органогенные горизонты почв лиственничников на гарях разного возраста показало, что под действием низовых пожаров уничтожается значительная часть подстилки, в результате чего происходит снижение концентрации углерода (рис. 3).
Проведенные исследования показали, что запасы общего углерода в подстилках разных типов лиственничников восстанавливаются от 229,6 г С/м-2 на гарях первого года, до 709,5 г С/м-2 через 56 лет после пожара.
Рис. 3. Запас органического углерода (Собщ..) в подстилке на гарях и контрольных лиственничниках, г м-2 а.с.м.
При беглом пожаре средней силы температура в слое подстилки не превышает 3000 С(Gleixner et al, 2001), что в ходе так называемой стадии тления - горения (< 3000 С, 5 - 15% О2 ) вызывает образование меньшего количества угля (0,6 %) (Gleixner et al, 2001), чем и обусловлено низкое содержание Собщ. на исследованных гарях (рис.3) по сравнению с контролем.
Увеличение углерода на 56 - летней гари в лиственничнике багульниково бруснично-зеленомошном по сравнению с контролем является, вероятно, результатом сильного низового пожара, при котором преобладающей стадией горения является пламенное горение (>3000 С), в ходе которого образуется до 2,3% угля (Gleixner et al, 2001), что и привело к увеличению содержания Собш. в подстилке на данной пирогенной ассоциации.
3.3.2 Влияние пожара на содержание водоэкстрагируемого органического углерода в подстилках
Содержание водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ) зависит от температуры, влажности, качественного состава подстилки, и воздействия на него пирогенного фактора.
Сравнительный анализ состава органического вещества подстилок гарей и лиственничных насаждений показал, что пожары снижают концентрацию подвижного ОВ, которое оценивалось по содержанию водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ).
В результате проведенного исследования выявлено, что запас ВЭОУ в изучаемых лиственничниках составляет от 1,4 до 19,3 для гари, и от 3,4 до 20,3 г/м-2 для контроля (рис. 4).
Под воздействием пирогенного фактора значительная часть подстилки сгорает, и, как следствие, происходит непосредственное уменьшение запасов ВЭОУ в подстилке в постпирогенных ассоциациях, (рис.4).
Рис. 4. Запас водоэкстрагируемого органического углерода в подстилке на гарях и неповрежденных лиственничных ассоциациях криолитозоны, г м-2 а.с.м.
Периодические низовые пожары являются ключевым фактором, определяющим количественные характеристики органического вещества подстилок. По мере восстановления растительного покрова и аккумуляции органического вещества запасы ВЭОУ возрастают.
3.3.3 Качественный состав органического вещества подстилок в лиственничниках
Для определения качественного состава органического вещества подстилок проведен их термический анализ путем прокаливания при разных температурах (150, 200, 250, 300, 400, 500, 6000С). Одним из наиболее существенных изменений в подстилках при прокаливании является потеря ими органического вещества. По потере массы подстилки можно судить о возрасте качественного состава органического вещества. Как показал термический анализ, органическое вещество всех изученных подстилок, характеризуется двумя пиками потери массы, которые в основном происходят в диапазоне температур 200-250 и 400оС.
А)
Б)
Рис. 5. Потеря органического вещества в подстилках на гарях (А) и контролях (Б) при прокаливании, % от а.с.м.
Обнаруженная дифференциация потери массы подстилок по этим пикам предполагает, что вследствие разного состава органическое вещество обладает разной степенью термоустойчивости. Снижение массы в интервалах 200-250 и 400оС, связаны с качественным составом органического вещества. В частности, пик потери массы при 200-250оС характеризует количество слабоустойчивых к нагреванию соединений: гемицеллюлозы, целлюлозы, причем разлагаются сначала менее термоустойчивые гемицеллюлозы, а затем собственно целлюлоза. Поэтому подстилки гарей «младшего» возраста (1, 12, 13, 17 лет), характеризуются наличием более свежего органического материала, потеря массы которого наблюдается в диапазоне 200-250оС (Рис. 5 А). Для подстилок контролей характерно наличие большего количества свежего органического материала, по сравнению с гарями. Для гари же более старшего возраста (25 - 50лет), убыль массы в температурном интервале 300-500оС является наиболее трудно интерпретируемой и представляет наибольший интерес, поскольку именно в этой области происходит разложение более термоустойчивых соединений, например, лигнина или лигноцеллюлозы. Контрольные же лиственничники характеризуются меньшим количеством термоустойчивых соединений по сравнению с гарями (рис. 5 Б).
Таким образом, органическое вещество лесных подстилок обладает разной степенью термоустойчивости, что обусловлено различиями в его фракционном составе. Органическое вещество подстилок на севере Средней Сибири на молодых гарях представлено относительно «свежими» фракциями, такими как гемицеллюлоза, целлюлоза, углеводы и продуктами гумификации. С другой стороны, вероятна и меньшая термоустойчивость органического вещества, гумифицирующегося в данных условиях. Для гарей старшего возраста характерна потеря значительной части органического вещества подстилок при температурах 300 - 500 оС, поскольку именно в этой области происходит разложение важных структурных компонентов опада - структурированной и аморфной целлюлозы, а также более устойчивых соединений, например, лигнина или лигноцеллюлозы.
Глава 4. Влияние низовых пожаров на содержание углерода в почвах послепожарных лиственничников
4.1 Содержание общего углерода в почве послепожарных лиственничников
Выявлено, что на гари 56 - летней давности по сравнению с контролем содержание Собщ. увеличилось, в то время как на других гарях по отношению к контролю произошло его некоторое уменьшение (рис.6). Произошедшее увеличение содержания Собщ. в почве на гари 56 - летней давности может быть обусловлено несколькими причинами, которые проявляются в течение большого периода, прошедшего с момента пожара, по сравнению с другими пирогенными ассоциациями.
1. связывание несгоревших органических остатков минеральными частицами почвы, данные комплексы более защищены от биохимического разрушения;
2. преобразование свежего органического вещества (ОВ) в более устойчивые формы, невымывающиеся из почвы;
3. уменьшение скорости минерализации ОВ в постпирогенный период и изменение его качественного состава в результате поступления веществ с верхних горизонтов (Fernandez et., 1999).
Рис. 6. Запас органического углерода (Собщ). в верхнем 0 - 5 - см. слое почвы на гарях и контрольных лиственничниках, кг м-2 а.с.м.
Запасы общего углерода (Собщ.) в 0 - 5- см горизонте почвы на единицу площади с возрастом гари возрастают от 13,3 кг С/м-2 на гари первого года после сильного беглого низового пожара до 21,8 кг С/м-2 на гари 56-летней давности в лиственничнике багульниково бруснично - зеленомошном также после сильного беглого низового пожара.
Изучение запасов общего углерода (Собщ.) в горизонте почвы 5 -10 см на единицу площади также показало их увеличение с возрастом гари от 15 кг С/м-2 на гари первого года после сильного беглого низового пожара до 65 кг С/м-2 на гари 56-летней давности. В то время как на гари 25 - летней давности с таким же типом пожара произошло его уменьшение, связанное с типом восстановившейся растительности и густоты древостоя. Увеличение запаса общего углерода на гари 17 - летней давности в лиственничнике багульниково - бруснично зеленомошном с подлеском из душекии связано с типом растительности (рис. 7).
Рис. 7. Запас органического углерода (Собщ). в 5 - 10 - см слое почвы на гарях и контрольных лиственничниках, кг м-2, а.с.м.
Таким образом, содержание органического углерода в почве послепожарных лиственничников определяется типом пожара, его интенсивностью, а также непосредственно связано с особенностями постпирогенного восстановления леса.
4.2 Изменение содержания водоэкстрагируемого органического углерода в почве
В результате изучения влияния низовых пожаров на содержание ВЭОУ выявлено, что в верхнем 0 - 5 - см слое почвы исследуемых ненарушенных лиственничников содержание водоэкстрагируемого органического углерода ниже, чем в подстилке, и варьирует от 0,16 до 0,75 мг/г, в то время как на гари - от 0,12 до 0,66 мг/г. Пирогенный фактор приводит к снижению содержания. ВЭОУ в почве, что, вероятно, связано с уничтожением значительной части живого напочвенного покрова и подстилки, являющихся основным источником ВЭОУ в верхних 0 - 5 - см слоях почвы. В то же время в нижележащих 5 - 10 - см горизонтах почвы также происходит снижение содержания ВЭОУ. Возможным объяснением этого является воздействие пирогенного фактора на основной его источник, а также процессы его адсорбции на минеральных поверхностях с образованием органо - минеральных комплексов и его потребления микробным сообществом в качестве основного питательного субстрата. Таким образом, в результате действия пирогенного фактора на лиственничные насаждения криолитозоны происходит снижение доли подвижной фракции органического вещества в почве.
4.3 Фракционный состав гумуса в почве послепожарных лиственничников
Для изучения влияния пирогенного фактора на фракционный состав гумуса лиственничников было проведено исследование почвы гарей разного возраста.
В результате изучения влияния низовых пожаров на фракционный состав гумуса выявлено, что их воздействие уменьшает содержание фульвокислот с одновременным увеличением гуминовых кислот (рис. 8). Отмеченное связано с улучшением гидротермических и трофических условий в послепожарных лиственничниках (Мажитова, 2000; Прокушкин, Абаимов; 2008), что приводит к увеличению микробиологической активности почв (Сорокин, Евграфова 1999), одним из субстратов для которых являются фульвокислоты.
Использование их микроорганизмами привело к изменению группового состава гумуса, поэтому с ростом биологической активности почв происходит уменьшение доли фульвокислот, которые более доступны микроорганизмам, чем негидролизуемые или трудногидролизуемые компоненты гуминовых кислот. В нижележащем 5 - 10 - см горизонте продолжается снижение содержания гуминовых и фульвокислот по отношению к вышележащему горизонту.