Изучение постпирогенных процессов в естественных и искусственных сосновых лесах Самарской области

Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2012. № 3/1(94).

БИОЛОГИЯ

УДК 630.43

ИЗУЧЕНИЕ ПОСТПИРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ СОСНОВЫХ ЛЕСАХ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ

© 2012 А.В. Антипова, Н.В. Прохорова1

В статье представлен сравнительный анализ постпирогенных процессов в естественных сосновых лесах Жигулевского государственного заповедника и искусственных сосняках Красносамарского лесного массива.

Ключевые слова: сосна, бор, низовой лесной пожар, постпирогенные процессы.

Введение

Самарская область расположена на границе лесостепной и степной зон и по степени лесистости (12,6 %) относится к лесодефицитным регионам России. Основные лесные массивы сосредоточены в районах лесостепной зоны, а степная часть ее территории характеризуется почти полным отсутствием лесов, за исключением долин крупных рек и балок. Поэтому для Самарской области очень актуальны проблемы сохранения, воспроизводства и повышения продуктивности лесных угодий, основу которых составляют широколиственные леса, но значима и доля хвойных лесов, представленных здесь сосновыми борами как естественного, так и искусственного происхождения [1].

В современных условиях лесопокрытые площади на всей территории России, в том числе и в Самарской области, постоянно сокращаются под воздействием вырубок и лесных пожаров. В засушливом климате на фоне глобального потепления лесные пожары превращаются в основной фактор, определяющий состояние и динамику лесного фонда Самарской области. В природном и экономическом отношении в структуре регионального лесного фонда сосновые боры являются наиболее ценными, но в силу своих эколого-биологических особенностей они чаще лиственных лесов подвергаются воздействию пожаров. Известно, что динамические аспекты природы пирогенных лесов остаются недостаточно изученными [2; 5]. Кроме того, необходимость разработки научно обоснованных региональных методов послепожарного восстановления сосновых насаждений определяет актуальность исследования постпирогенных процессов, происходящих в них в разные периоды после пожара.

1 Антипова Анастасия Владимировна (ecology@samsu.ru), Прохорова Наталья Владимировна (ecology@samsu.ru), кафедра экологии, ботаники и охраны природы Самарского государственного университета, 443011, Российская Федерация, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.

В связи с этим целью настоящего исследования были изучение и сравнительный анализ последствий низового пожара 3-летней давности в естественных и искусственных сосновых лесах на территории Самарской области.

Условия и методы исследования

Для проведения натурных исследований были выбраны по 2 сосновых насаждения в естественных сосновых лесах Жигулеского государственного заповедника им. И.И. Спрыгина и в искусственных сосновых насаждениях особо ценного Крас-носамарского лесного массива. На каждой из выбранных территорий один сосняк 3 года тому назад подвергся низовому пожару, а другой, полностью совпадавший с горевшим сосняком по основным природным характеристикам, не был затронут пожаром, и использовался в качестве контроля.

Жигулевский государственный заповедник им. И.И. Спрыгина расположен в лесостепной зоне, в северной самой высокой части Самарской Луки. Изучаемые сосновые боры здесь произрастают на склонах Жигулевских гор и имеют естественное происхождение. Особо ценный Красносамарский лесной массив располагается в долине реки Самары в пределах степного Заволжья. Анализируемые сосновые боры на его территории являются искусственными насаждениями и занимают песчаные речные террасы. Несмотря на различия в генезисе и территориальной принадлежности, все изучаемые сосновые леса имеют чрезвычайно важное природоохранное, водорегулирующее, противоэрозионное и оздоровительное значение.

В пределах каждой исследуемой территории в горевшем и контрольном бору были заложены пробные площади размером 50х50 м, характеризующиеся однородным возрастным и породным составом древостоя и кустарникового яруса. Обе пробные площади в Красносамарском лесном массиве располагались на выровненном участке второй надпойменной террасы (арены) на серых лесных почвах легкого гранулометрического состава. Пробные площади в заповеднике были заложены на высоте 248 м над уровнем моря на юго-западном гребне Жигулевских гор на каменистых дерново-карбонатных почвах. На каждой пробной площади изучали структуру и мощность лесной подстилки, видовой состав древесного, кустарникового и травянистого ярусов, жизненное состояние сосны и активность ее семенного возобновления.

Для изучения лесной подстилки на каждой пробной площади было заложено по 5 учетных площадок (25х25 см) в межкроновых пространствах, в пределах которых отбирали подстилку на всю глубину ее мощности в количестве, достаточном для последующего морфологического и химического анализа. При этом замеряли мощность каждого горизонта лесной подстилки, выделяя опад, ферментационный и гумификационный слои.

При исследовании древостоя учитывали его состав, высоту, диаметр, жизненное состояние деревьев и высоту подпалин на стволах. Для оценки жизненного состояния сосны применяли шкалу Л.П. Рысина [6], в соответствии с которой категории жизненного состояния определяются по совокупности признаков: ажурности кроны, приросту по высоте, состоянию ветвей, ствола и корней.

При изучении кустарникового яруса учитывали следующие показатели: видовой состав, общая площадь проективного покрытия, доля проективного покрытия каждого вида, максимальная высота [4; 6].

При изучении травостоя выявляли его полный видовой и ценоморфный состав, обилие и проективное покрытие видов [4].

Для анализа семенной продуктивности и семенного возобновления сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на каждой пробной площади случайно-регулярным способом закладывали 50 учетных площадок размером 1 х 1 м. Учитывали следующие показатели: количество, возрастной состав и жизненность подроста.

Результаты и их обсуждение

Анализ древостоя на территории Красносамарского лесничества показал, что деревья сосны, подвергшейся 3 года назад воздействию беглого низового пожара, в подавляющем большинстве находятся в поврежденном и ослабленном состоянии (80 %). На долю отмирающих деревьев приходится 6 %, на долю старого сухостоя — 14 %. Здоровых деревьев и свежего сухостоя не обнаружили. При этом большинство деревьев на контрольной пробной площади были здоровы и находились в удовлетворительном состоянии. Только 2 % из них представляли собой поврежденные живые деревья, 3 % — сухостой.

На горевшей пробной площади в заповеднике подавляющее большинство сосен (66 %) были отнесены к свежему сухостою, 16 % по всем признакам выглядели ослабленными, 9 % — сильно ослабленными. Остальная часть, в общей сложности 9 %, приходилась на усыхающие экземпляры, свежий ветровал и свежий бурелом. Было отмечено также массовое поражение сосны короедами. На контрольной пробной площади все изученные экземпляры сосны были отнесены к категории "Здоровое дерево", иных категорий сосен в соответствии со шкалой Л.П. Рысина здесь не было обнаружено (табл. 1).

Таким образом, на постпирогенных пространствах в изучаемых естественных и искусственных сосняках было зафиксировано отмирание взрослых сосен при средней высоте подпалин 7-80 см, но более массово гибель сосны проявилась в естественном горном сосняке Жигулевского заповедника.

Таблица 1

Жизненное состояние древостоя в сосняках на территории

ЖЖигулевского государственного заповедника и Красносамарского

лесного массива, %

Жизненное состояние Жигулевский гос. Красносамарский

по шкале Л.П. Рысина заповедник лесной массив

Гарь Контроль Гарь Контроль

Здоровое дерево 0 100 0 95

Ослабленное 16 0 30 0

Сильно ослабленное 9 0 50 2

Усыхающее 7 0 6 0

Свежий сухостой 66 0 0 0

Старый сухостой 0 0 14 3

Свежий ветровал 1 0 0 0

Старый ветровал 0 0 0 0

Свежий бурелом 0 0 0 0

Старый бурелом 1 0 0 0

Как показали многочисленные наблюдения, семенное возобновление сосны на постпирогенных пространствах проходит достаточно хорошо, что обусловлено разрушением лесной подстилки, препятствующей прорастанию ее семян. В то же время оно существенно зависит от экспозиции склона, степени прогорания лесной подстилки и режима увлажнения почв [3].

На гарях Красносамарского лесного массива при нормальном режиме почвенного увлажнения через 3 года после пожара было обнаружено достаточное количество 2-3 летних сеянцев, наиболее часто встречаемых в местах со средней степенью прогорания лесной подстилки. При этом на контрольной площади семенное возобновление полностью отсутствовало.

В Жигулевском государственном заповеднике через 3 года после пожара сеянцы сосны не были обнаружены ни на контрольной, ни на горевшей пробных площадях. Очевидно, что даже при выгорании подстилки семенное возобновление сосны в условиях горных местообитаний угнетается недостаточным увлажнением почв, их малой мощностью, каменистостью, эрозионными процессами.

Как следует из табл. 2, кустарниковый ярус на обеих пробных площадях в Жигулевском государственном заповеднике был представлен 3 видами: бересклет бородавчатый (Euonymus verrucosa Scop), костяника (Rubus saxatilis L), калина обыкновенная (Viburnun opulus L.) Общая доля проективного покрытия кустарникового яруса на горевшей пробной площади составляла 23 %, что почти в 3 раза выше по сравнению с контрольной пробной площадью (8 %). Это объясняется тем, что в начальный период после пожара происходит активизация порослевого размножения кустарников.

Таблица 2

Проективное покрытие кустарников, изучаемых в сосняках на территории ^Жигулевского государственного заповедника и Красносамарского лесного массива, %

Кустарники Жигулевский гос. Красносамарский

заповедник лесной массив

Гарь Контроль Гарь Контроль

Sambucus racemosa L 0 0 20 15

Euonymus verrucosa Scop 9 2 0 0

Rubus saxatilis L 12 6 0 0

Viburnun opulus L. 2 1 0 0

Средняя высота кустарникового яруса на обеих пробных площадях в заповеднике составила 80-100 см. Основную часть в его проективном покрытии занимала костяника (49-61 %). Установлено, что на гарях происходит активное разрастание куртин этого вида за счет корневой поросли и, как следствие, существенное возрастание доли его проективного покрытия (до 61 %).

Кустарниковый ярус в Красносамарском лесном массиве на обеих пробных площадях был представлен только бузиной обыкновенной (Sambucus racemosa Ь.), проективное покрытие которой в контроле составляло 15 %, а на гари — 20 % (табл. 2). Ее возобновление на горевшей пробной площади происходило не семенным, как у сосны, а вегетативным способом через образование корневой поросли. Побеги бузины, появившиеся через месяц после пожара, через 3 года уже достигли высоты 80-150 см, активно ветвились и плодоносили.

Таким образом, на гарях как в Жигулевском заповеднике, так и в Красно-самарском лесном массиве прослеживается тенденция увеличения площади проективного покрытия кустарникового яруса, так как его составляют породы, способные к вегетативному порослевому размножению, а корни кустарников после беглого низового пожара остаются жизнеспособными.

Важным параметром структуры соснового бора является лесная подстилка, которую наиболее информативно характеризуют строение и мощность слоев. На горевшей пробной площади в Жигулевском заповеднике ферментационный и гуми-фикационный слои подстилки практически полностью были уничтожены пожаром и спустя 3 года не успели восстановиться. Под слоем опада располагался слой золы толщиной около 1 см, и далее сразу следовал гумусовый горизонт почвы. Из-за нарушения процессов деструкции на горевшей территории слой опада оказался несколько большим, чем в контроле (табл. 3). В нижней части склона наблюдалось естественное увеличение толщины слоя листового опада. На горевшей пробной площади отмечена активизация эрозии почвы, захватившей 17-20 % ее поверхности. Это подтверждает данные других исследователей, показавших, что уничтожение лесной подстилки в результате пожара приводит к развитию струйчатой водной эрозии уже в первую весну после пожара. Постпирогенные процессы могут сопровождаться изменением гранулометрического состава почв, развитием ветровой и водной эрозии [3], что и наблюдалось на горевшей пробной площади в Жигулевском заповеднике.

В Красносамарском лесном массиве средние значения мощности ферментационного и гумификационного слоев подстилки на горевшей пробной площади уступали показателям контроля. Это свидетельствует о том, что деятельность микроорганизмов через 3 года после пожара полностью не была восстановлена. Мощности опада и ферментационного слоя в горевшей подстилке оказались сходными, в норме же мощность ферментационного слоя должна быть больше примерно в 2 раза, что и наблюдали в контроле. Очевидно, после пожара был нарушен баланс между поступлением органического вещества в подстилку и его переработкой редуцентами. Поэтому через 3 года после пожара наблюдали незначительную мощность гумификационного слоя в горевшем сосняке. В контрольном сосняке на протяжении 3-х лет шел нормальный процесс формирования лесной подстилки (табл. 3).

Таблица 3

Мощность лесной подстилки в сосняках на территории ^Жигулевского государственного заповедника и Красносамарского лесного массива, см

Подстилка Жигулевский гос. Красносамарский

заповедник лесной массив

Гарь Контроль Гарь Контроль

Опад 2,62 2,48 1,2 0,9

Ферментационный слой 0 5,7 0,7 2,1

Гумификационный слой 0 7,6 1,2 2,6

Сравнительный анализ постпирогенных процессов показал, что восстановление биологического равновесия в лесной подстилке сосновых насаждений наиболее выражено в условиях Красносамарского лесного массива. В горном же сосняке на территории Жигулевского заповедника процессы восстановления структуры лесной подстилки были осложнены более острым воздействием огня на микробные

сообщества маломощных горных почв и развитием струйчатой водной эрозии. Более высокая мощность лесной подстилки в сосняках заповедника связана с наличием примеси лиственных пород.

Изучение травянистого покрова показало, что на горевшей пробной площади Красносамарского лесного массива через 3 года после пожара число видов травянистых растений составило 26 против 21 вида на контрольной пробной площади. На гари Жигулевского заповедника видовое разнообразие травянистых растений также увеличилось (17 видов) по сравнению с контрольной пробной площадью (9 видов). Выявленное соотношение связано с тем, что лесная подстилка, препятствующая прорастанию и развитию семян трав на гарях, частично или полностью выгорела, почва обогатилась зольными элементами. Эти процессы способствуют активному проникновению и закреплению травянистых видов на горевших пробных площадях. Однако по сравнению с горными сосняками заповедника на равнинной гари в Красносамарском лесном массиве более активно развиваются злаки, препятствующие распространению других видов трав. Общим для исследуемых территорий было то, что на гарях наблюдалось значительное увеличение видового разнообразия и доли проективного покрытия травянистых растений, где оно составило 60-80 % против 10-20 % на контрольных пробных площадях.

Исследования показали, что ценоморфный состав травянистых растений на изучаемых территориях формировался в соответствии с зональными особенностями местности и генезисом сравниваемых сосновых лесов. В естественных сосняках Жигулевского заповедника даже после пожара сохраняется существенная доля лесных видов, которые в контроле преобладают. В искусственных сосняках Крас-носамарского лесного массива ценоморфный состав более пестрый с доминированием степных видов. После пожаров активное внедрение рудерантов проявляется и в естественных, и в искусственных сосняках, но в последних рудерализация выражена ярче.

Заключение

Проведенные исследования и последующий сравнительный анализ полученных данных показали, что после беглых низовых пожаров 3-х летней давности постпи-рогенные процессы в естественных горных сосняках Жигулевского заповедника и искусственных сосновых насаждениях Красносамарского лесного массива характеризуются сходством основных черт:

— отмирание или существенное ослабление сосновых древостоев, более жестко выраженное в Жигулевском заповеднике;

— увеличение участия и площади проективного покрытия кустарникового яруса за счет активизации вегетативного размножения корневой порослью;

— восстановление лесной подстилки, нормализация которой более выражена в горевшем сосняке Красносамарского лесного массива;

— увеличение видового разнообразия и проективного покрытия травянистого покрова с сохранением основных зональных и ценотических черт;

— рост рудерализации горевших сосняков, более выраженный в искусственном сосняке Красносамарского лесного массива.

Негативные процессы, связанные с пожаром, более значимо проявляются в горном сосняке заповедника, что объясняется влиянием сложного рельефа, недостаточным почвенным увлажнением, постпирогенной эрозией почв. Естественное восстановление горевших сосновых насаждений даже после относительно щадящих

беглых низовых пожаров здесь невозможно, затруднено и искусственное лесовос-становление. В этой связи необходима разработка более действенных мер по противопожарной защите реликтовых сосновых боров Жигулевского государственного заповедника.

В Красносамарском лесном массиве на гарях происходит семенное возобновление сосны. Кроме того, большая часть сосен, затронутых пожаром, в течение последующих 3-х лет не погибла, хотя и отличалась пониженным жизненным состоянием. При благоприятных погодных условиях здесь сохраняется возможность самовосстановления горевших сосняков.

Литература

[1] Атлас земель Самарской области. Самара, 2002. 101 с.

[2] Евдокименко М.Д. Роль пирогенного фактора в продуктивности древостоев // Факторы продуктивности леса. Новосибирск: Наука, 1989. С. 53-90.

[3] Куприянов А.Н., Трофимов И.Т., Заболоцкий В.И. Восстановление лесных экосистем после пожаров. Кемерово: КРЭОО "ИРБИС", 2003. 262 с.

[4] Матвеев Н.М. Биоэкологический анализ флоры и растительности (на примере лесостепной и степной зоны): учебное пособие. Самара: Изд-во "Самарский университет", 2006. 311 с.

[5] Мелехов И.С. Лесоведение. М.: Лесная промышленность, 1980. 406 с.

[6] Рысин Л.П. Лесная типология в СССР. М.: Наука, 1982. 216 с.

Поступила в редакцию 16/III/2012; в окончательном варианте — 16/III/2012.

THE INVESTIGATION OF POSTPYROGENIC PROCESSES IN NATURAL AND ANTHROPOGENIC PINE FORESTS

OF SAMARA REGION

© 2012 A.V. Antypova, N.V. Prokhorova2

The comparative analysis of postpyrogenic processes development in natural pine forests in Zhigulevsky nature reserve and anthropogenic pine forests in Krasnosamarsky forest is given in the article.

Key words: pine-tree, pine forest, ground forest fire, postpyrogenic processes.

Paper received 16/III/2012. Paper accepted 16/III/2012.

2Antypova Anastasia Vladimirovna (ecologyasamsu.ru), Prokhorova Natalya Vladimirovna (ecology@samsu.ru), the Dept. of Ecology, Botany and Preservation of Nature, Samara State University, Samara, 443086, Russian Federation.