Изменение свойств подстилки и почв на гарях в сосновых лесах Западного Забайкалья

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2017, №3

Почвоведение

УДК 631.48

Изменение свойств подстилки и почв на гарях в сосновых лесах Западного Забайкалья

ЕЮ. Шахматова

Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, Россия

e-mail: ekashakhmat@mail.ru

Аннотация. В сосновых лесах Западного Забайкалья преобладают низовые пожары, которые оказывают сильное воздействие на подстилку и свойства почв. Основной причиной высокой горимости сосняков исследуемой территории является засушливость климата в первую половину вегетационного периода. Для изучения последствий влияния пирогенного фактора были заложены пробные площади на гарях, образованных периодическими пожарами средней интенсивности и находящихся на различных стадиях восстановительной сукцессии. В почвенном покрове на разновозрастных гарях преобладают дерново-подбуры с пирогенно-трансформированными профилями. Проведенные исследования выявили различия в запасах, мощности и фракционном составе подстилки, морфологических, водно-физических и физико-химических показателях верхних горизонтов почв, что является результатом пожаров, произошедших в разные годы. На свежей гари наблюдаются малая мощность и низкие запасы подстилки, а также в ее составе - высокое содержание фракций свежеопавшей хвои и веток. В верхних пирогенных горизонтах почвы отмечены высокие показатели плотности сложения, плотности твердой фазы и низкие значения общей порозности, гигроскопической влаги и коэффициента фильтрации. Установлено, что подстилка и гумусовый горизонт в почве на свежей гари отличаются более щелочным характером реакции среды, высоким содержанием обменных катионов, углерода и низким содержанием азота по сравнению с аналогичными показателями в почве на 5-летней гари. В иллювиальных горизонтах почвы на свежей гари также отмечено повышенное содержание подвижного железа. Характеристики подстилки, морфологические, водно-физические и физико-химические свойства еще более отличны в почве на 10-летней гари.

Ключевые слова: низовые пожары, почвы сосновых лесов, трансформация и дифференциация свойств.

Soil Properties Differentiation of Burned Areas in Pine Forests of Western Transbaikalia

E.Yu. Shakhmatova

Institute of General and Experimental Biology SB RAS, 6, Sakhyanova Str., Ulan-Ude, 670047, Russia

e-mail: ekashakhmat@mail.ru

Abstract. Ground fires prevailing in pine forests of Western Transbaikalia have a strong impact on litter and soil properties. The main reason ofpine forests high burning of the studied area is the arid climate in the first half of a vegetation season. To study a pyrogenic factor consequences a number of sample plots were laid on the burned areas formed by medium intensity periodic fires and which are at different stages of regenerative succession. Soddy podburs with pyrogenically-transformedprofiles are dominated in the soil cover of different-aged burned burned areas. The conducted study revealed that differences in reserves, power and fractional composition of litter, morphological, hydro-physical and physical-chemical indicators of soil upper horizons are the result offires occurred in different years. Low power and low reserves of litter as well as a high content offractions of newly fallen pine needles and twigs in its composition are observed for a young burning. High indicators of bulk density, density of solid phase and low values of total porosity, hygro-

ШАХМАТОВА Екатерина Юрьевна - к.б.н., м.н.с.

scopic moisture and filtration coefficient are found in the upper pyrogenic soil horizons. It was found that the litter and humus layer of a soil of a young burning are characterized by more alkaline reaction, a high content of exchangeable cations, carbon and low nitrogen content in comparison with those in the soils of a 5-year-old burning. Increased content of mobile iron was also noted in illuvial horizons of the soils of a young burning. Characteristics of litter, morphological, hydro-physical and physical-chemical properties are more distinct in the soil of 10-year-old burning.

Key words: ground fires, soil of pine forests, soil transformation and differentiation.

Введение

Произрастающие в Западном Забайкалье светлохвойные леса ежегодно подвергаются пожарам, около 95-97 % из которых приходится на долю низовых [1]. Этому способствуют специфические для территории природные условия (низкий уровень количества осадков, горнокотловинный рельеф, преобладание хвойных насаждений с высоким процентом сухих и мертвопокровных типов леса), а также наличие вырубок, площади которых увеличиваются с каждым годом.

В отличие от верховых пожаров, которые полностью уничтожают древостой и, как правило, приводят к смене типа растительности, низовые пожары воздействуют избирательно на структурные элементы экосистем, главным образом трансформируя нижние ярусы лесной растительности, мохово-лишайниковый покров, подстилку и сильно изменяя свойства почв.

Цель данных исследований - выявление различий в свойствах подстилки и почв на гарях, сформированных пожарами разных лет в сосновых лесах Западного Забайкалья.

Материалы и методы

Исследования проведены в сосновых лесах горно-лесостепного высотно-поясного комплекса [2] Селенгинского среднегорья, в бассейне р. Воровка (притока р. Уда, бассейн р. Селенга). Климат территории резко континентальный, коэффициент континентальности 80-85 по Цен-керу. Средние годовые температуры колеблются от -4,2 °С до -5,0 °С, средняя температура воздуха в июле 26-34 °С, средняя температура в январе -24...-32 °С [3]. Весна и начало лета отличаются высокой сухостью воздуха и почвы, незначительными осадками и сильными ветрами. Влажность воздуха в это время составляет 30-40 %, а в отдельные дни - 10 %. Продолжительность вегетационного периода - 130-155 дней. Среднегодовое количество осадков - 250 мм в год. Наблюдается чередование засушливых и влажных лет. Большая часть осадков (7080 %), хотя и выпадает в летний период, но они приходятся в основном на июль-август. Май-июнь характеризуется засушливостью [4]. Это является основной причиной высокой горимо-сти сосняков в первую половину вегетационно-

го периода. Факторы возникновения пожаров в исследуемом регионе могут быть как природного, так и антропогенного происхождения. Антропогенные источники огня (рубки, неконтролируемые выжигания и др.) являются преобладающими и, в среднем, составляют более 80 % случаев возгораний. Природным фактором возникновения летних лесных пожаров является грозовая активность, и доля пожаров, возникающих от гроз, варьирует в пределах 5-20 % случаев [5].

Для изучения последствий влияния низовых пожаров были выбраны сравнительно однородные по экологическим параметрам (положение в рельефе, абсолютная высота, тип почвы, почво-образующие породы, возраст и полнота древостоя) участки сосновых лесов на свежей гари и на гарях с давностью пожара 5 и 10 лет. Были заложены пробные площади (ПП) размером 20^25 м в нижних частях делювиальных шлейфов склонов на гарях, образованных низовыми пожарами средней интенсивности и находящихся на различных стадиях восстановительной сукцессии: ПП1-2008 - в сосняке мертвопо-кровном (пожар 2008 г. - свежая гарь), III12-2008 - в сосняке рододендроново-разнотравно-лишайниковом (пожар в 1998 г. - 10-летняя гарь), ПП3-2008 - в сосняке злаково-разнотравном (пожар в 2003 г. - 5-летняя гарь).

На IIII определяли интенсивность и давность пожаров [6, 7], измеряли мощность и запасы подстилки в 10 повторностях, устанавливали водопроницаемость почв, закладывали почвенные разрезы, изучали морфологию почв, отбирали пробы для фракционирования подстилки и образцы почв на физико-химические исследования. Названия почв и индексы почвенных горизонтов даны согласно «Классификации и диагностики почв России» [8]. Определения основных физических и химических свойств почв выполняли общепринятыми методами [9, 10].

Результаты и обсуждение

Основной фон лесного покрова в бассейне р. Воровка в пределах исследуемой территории образуют насаждения сосны, которые занимают пологие склоны и шлейфы гор и характеризуются повышенной пожароопасностью. Обследование территории бассейна р. Воровка не об-

наружило лесные экосистемы, которые ранее не испытали на себе влияние пирогенного фактора.

Известно, что значительное влияние на формирование профиля лесных почв и на протекающие в нем процессы оказывает подстилка, которая одновременно является и верхним органическим горизонтом почвы. Она играет важнейшую роль в функционировании лесной экосистемы [11] и в ненарушенных экосистемах, представляя собой своего рода защитный экран, обеспечивает сохранность минеральных горизонтов [12].

Вследствие воздействия низовых пожаров средней интенсивности в исследуемых сосновых лесах происходит трансформация подстилки, связанная с частичным ее сгоранием. В результате меняются состав и свойства подстилки и скорость ее разложения. Анализ мощности, запасов и фракционного состава подстилок на пробных площадях позволил выявить существенные различия в их свойствах, связанные с давностью пожаров.

Мощность лесной подстилки является важным показателем, характеризующим интенсивность деструктивных процессов. Почвы на гарях района исследований имеют подстилку мощностью до 2,5 см (табл. 1).

В первый год после пожара подстилка маломощная и характеризуется низкими запасами органического вещества. Можно предположить, что сразу же после прохождения пожара снижение мощности подстилки было еще большим. В составе опада четко выражены хвоя деревьев, веточки, кора и шишки, формирующие высокий уровень запасов мертвого органического вещества на поверхности почвы. На 5-летней гари мощность и запасы подстилки закономерно увеличиваются. За 10 лет мощность может увеличиваться более чем в 2, а запасы в - 4,5 раза. Более высокие запасы подстилки на 10-летней гари связаны с накоплением ферментированных остатков из-за медленного разложения органики, представленной по преимуществу хвоей, веточками и корой. Таким образом, влияние пожара отражается на изменении отдельных компонентов, мощности и запасов подстилки, а возраст послепожарного периода определяет скорость ее восстановления. Для восстановле-

ния нормального подстилочного горизонта на поверхности почв с признаками, характерными для ненарушенных подстилок, необходимо длительное время.

В почвенном покрове остепненных разнотравных сосновых лесов исследуемой территории фоновыми являются дерново-подбуры, которые формируются на элювиальных, элювиально-делювиальных и делювиальных отложениях легкого песчаного и супесчаного гранулометрического состава. В морфологическом строении профилей почв на разновозрастных гарях наблюдается дифференциация в их верхней части, связанная с давностью пожаров. В профиле дерново-подбура на свежей гари в результате трансформации подстилки и гумусового горизонта проявляются следующие пирогенные признаки: увеличение плотности, малая мощность, очень темный оттенок горизонтов за счет включений углистой пыли и многочисленных черных древесных углей. Переход в иллювиальный горизонт хорошо выражен по цвету. Граница перехода волнистая или кармановидная. Горизонт BF уплотнен в верхней части и имеет буровато-охристую окраску с пятнами, вкраплениями и потеками вещества темно-серого и бурого оттенков. Формула организации почвенного профиля дерново-подбуров на гарях имеет следующий вид: Ори (0-1 см) - AYpir (1-5) - BF1(5-27) - BF2 (27-38) - С (38-112 см).

Для дерново-подбура на 5-летней гари характерна менее мощная подстилка, переходящая в темно-серый с буроватостью гумусовый горизонт. В горизонте AY местами присутствуют затеки пирогенной органики и мелкие угольки. Переход в иллювиальный горизонт постепенный. Горизонт BF более плотный, чем в почве на старой гари, содержит включения мелких и крупных корней и постепенно переходит в поч-вообразующую породу. Формула организации профиля почвы имеет вид: Орк (0-1 см) - AYBF1 (1-8) - BF1 (8-40) ^1С (40-55) - С (55-98 см).

В почве, где воздействие пожаров отсутствовало 10 лет, подстилка вниз по профилю почвы сменяется темно-серым гумусо-аккумулятив-ным горизонтом AY мощностью до 10 см. Далее располагается переходный горизонт, вмещающий в себя часть горизонта AY и иллювиальный

Т а б л и ц а 1

Мощность и запасы подстилок в почвах на разновозрастных гарях*

Возраст гари Мощность, см Запас, т/га

2008 2009 2010 2008 2009 2010

1 год 0,91±0,05 0,97±0,02 0,95±0,04 2,27±0,13 2,18±0,17 2,20±0,14

5 лет 1,60±0,40 1,50±0,41 1,40±0,45 8,55±0,15 8,66±0,16 8,70±0,14

10 лет 1,90±0,31 2,10±0,30 2,20±0,28 0,38±0,11 10,45±0,09 10,52±0,06

* Средние значения показателей и их ошибка.

горизонт BF, имеющий буроватые или буровато-охристые тона окраски. Ниже горизонт BF переходит в почвообразующую породу. Для минеральной части профиля характерно наличие железисто-марганцевых примазок. Формула организации профиля имеет вид: О (0-1/1,5 см) - AYBF (1/1,5-4) - BF1 (4-24) - BF2 (24-35) -С1 (35-50) - С2 (50-63 см).

Исследуемые почвы на гарях разного возраста, сформированные в результате низовых пожаров, имеют черты различий, как в физических, так и химических свойствах верхних горизонтов профилей. Так в верхних пирогенных горизонтах почвы на свежей гари высокие показатели плотности сложения и плотности твердой фазы связаны с недавним (пирогенным) уплотнением горизонтов, а низкие значения общей порозности - это результат ухудшения в них аэрации вследствие уменьшения объема влагопроводящих пор. Признаки недавнего сгорания органического вещества проявляются в низких показателях гигроскопической влаги в верхних горизонтах почв на свежей гари. На свежей гари выявлены неудовлетворительные показатели водопроницаемости почвы, которые обусловлены уменьшением коэффициента фильтрации воды после пожара и связаны как с образованием корки от спекания органики под влиянием высоких температур на поверхности почвы, так и с обогащением почвы тяжелыми углистыми частицами, проникающими в поро-вое пространство. На 5-летней и на 10-летней гарях показатели коэффициента фильтрации выше, что свидетельствует об улучшении филь-

трационных свойств почв с увеличением после-пожарного периода (табл. 2).

Исследуемые ночвы на гарях характеризуются супесчаным гранулометрическим составом с низким содержанием илистой (<0,001 мм) фракции. Выявлено незначительное увеличение ила в иллювиальных горизонтах почвы на свежей гари и уменьшение этой фракции в почвах с более ранним пирогенным воздействием.

Заметная дифференциация свойств наблюдается и в химических показателях почв. Сразу после пирогенного воздействия в их верхних горизонтах высвобождаются значительные концентрации зольных веществ и изменяются реакция среды, содержание углерода, азота, обменных катионов. В подстилке на 10-летней гари выявлено кислое значение рН, на 5-летней -слабокислое, на свежей гари - ее величина приближается к нейтральной (табл. 3).

В гумусовых горизонтах почвы на свежей гари наблюдается послепожарное уменьшение кислотности. В подстилке происходит увеличение содержания катионов кальция, а в иллювиальной части профиля - оксалаторастворимого железа, извлекаемого вытяжкой Тамма. В почве на молодой гари отмечено относительное увеличение содержания углерода в отличие от почв на 5-летней и 10-летней гарях. На свежей гари низкое содержание азота является результатом частичного сгорания его органических соединений. С увеличением возраста гари значения рН, обменных катионов, аморфного железа и углерода в подстилках и почвах уменьшаются, а содержание азота возрастает.

Т а б л и ц а 2

Физические и водно-физические свойства почв на пробных площадях

Плотность Плотность Общая Коэффициент

Горизонт Глубина, см сложения твердой фазы порозность фильтрации

г/см3 % К10, мм/мин

Разр. 1-08 (ПП 1) свежая гарь

ЛУрк 1-5 1,45 2,57 44 0,97 4,95

BF1 11-21 1,56 2,63 41 0,56 8,07

BF2 27-38 1,58 2,66 41 0,34 11,65

С1 70-80 1,74 2,65 34 0,32 19,23

Разр. 3-08 (ПП 3) 5-летняя гарь

ЛУр^1 1-8 1,38 2,58 47 0,76 5,27

BF1 19-29 1,57 2,65 41 0,56 8,59

BF2C 42-52 1,81 2,65 32 0,39 11,07

С 71-81 1,85 2,68 31 0,15 19,35

Разр. 2-08 (ПП2) 10-летняя гарь

ЛУ 1/1,5-4 1,24 2,55 51 1,45 7,27

AYBF1 9-19 1,55 2,63 41 0,88 11,05

BF2 24-35 1,61 2,67 40 0,52 12,38

С1 37-47 1,74 2,65 34 0,39 12,58

С2 51-61 1,83 2,64 31 0,30 15,06

Т а б л и ц а 3

Химические показатели почв

Глубина, см pH водн. Обменные катионы, ммоль Fe3+ С N

Горизонт экв./100 г почвы по Тамму

Ca2+ Mg2+ %

Разр. 1-08 (ПП 1) свежая гарь

Opir 0-1 6,1 19,1 1,1 -* - -

AYpir 1-5 6,5 10,8 9,5 0,64 1,51 0,070

BF1 11-21 6,3 6,7 3,3 0,72 0,31 0,018

BF2 27-38 6,5 7,5 2,5 0,64 0,20 0,010

C 70-80 6,7 8,3 4,2 0,50 0,06 -

Разр. 3-08 (ПП 2) 5-летняя гарь

Opir 0-1 5,7 16,1 3,6 - - -

AYpirBF1 1-8 6,3 8,3 6,7 0,60 0,95 0,060

BF1 19-29 6,3 4,4 4,3 0,64 0,20 0,011

BF1C 42-52 6,6 4,2 4,2 0,52 0,14 -

C 71-81 6,9 3,1 3,1 0,32 0,07 -

Разр. 2-08 (ПП 3) 10-летняя гарь

O 0-1/1,5 5,3 13,5 5,8 - - -

AYBF1 1/1,5-4 6,1 14,3 3,6 0,48 1,36 0,090

BF1 9-19 6,3 10,0 3,9 0,56 0,25 0,015

BF2 24-35 6,4 8,0 6,0 0,44 0,13 -

С1 37-47 6,6 5,0 5,0 0,40 0,08 -

С2 51-61 6,9 4,6 2,3 0,40 0,07 -

* Значение показателя не определено.

Заключение

Сухие сосновые леса в Западном Забайкалье формируются при активном влиянии периодических низовых пожаров, которые наряду с трансформацией нижних ярусов растительности заметно изменяют напочвенный покров и свойства почв.

Сравнительный анализ свойств дерново-подбуров на пробных площадях, сформированных в сходных экологических условиях, выявил различия в морфологическом строении их профилей, в составе и свойствах горизонта подстилки, в водно-физических и физико-химических параметрах верхних горизонтов почв. Недавнее пирогенное воздействие демонстрирует высокие показатели неразложившихся грубых фракций подстилки - хвои и веточек, и низкие - ее мощности и запасов. При старении гари значения мощности подстилки и запасов полуразложившейся органики становятся более высокими. В морфологии почв более позднее влияние пожара проявляется в увеличении показателя плотности, высокой мощности, очень темном оттенке верхнего гумусового горизонта почвы на свежей гари. В верхних уплотненных горизонтах почвы свежей гари отмечаются низкие показатели общей порозности и коэффициента фильтрации воды, увеличение щелочности и более высокие показатели гумуса и обменных катионов.

Таким образом, на гарях, сформированных в

сосновых лесах Западного Забайкалья, наблюдается пространственная неоднородность свойств подстилки и верхних горизонтов почв, вызванная воздействием разновозрастных пожаров. Учитывая возраст гарей и показатели изученных параметров, можно проследить скорость восстановления подстилки и свойств почв в постпирогенный период.

Литература

1. Евдокименко М. Д. Пирогенная дигрессия светлохвойных лесов Забайкалья // География и природные ресурсы. 2008. № 2. С. 109-115.

2. Смагин В.Н., Ильинская С.А., Назимова Д.И., Новосельцева И.Ф., Чередникова Ю.С. Типы лесов гор Южной Сибири. Новосибирск: Наука, 1980. 336 с.

3. Атлас Забайкалья (Бурятская АССР и Читинская область). М.; Иркутск: ГУГК при Совете Министров СССР, 1967. 176 с.

4. Жуков В. М. Климат Бурятской АССР. Улан-Удэ, 1960. 188 с.

5. Евдокименко М. Д. Факторы горимости байкальских лесов // География и природные ресурсы. 2011. № 3. С. 51-57.

6. Цветков П.А. Нагар как диагностический признак // Хвойные бореальные зоны. 2006. Т. 23, № 3. С. 132-137.

7. Лесные пожары http://www.alh-rb.ru/ documents/section .php ? SECTION_ID= 15.

8. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

9. Воробьева Л. А. Теория и практика химического анализа почв. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.

10. Теории и методы физики почв: Коллективная монография / Под ред. Е.В. Шеина и Л.О. Карпачевского. М.: Гриф и К, 2007. 616 с.

11. Карпачевский А.О. Лес и лесные почвы. М.: Лесная промышленность, 1981. 264 с.

12. Ильина Т.М., Сапожников А.П. Лесные подстилки как компонент лесного биогеоценоза // Вестник КрасГАУ. 2007. № 5. С. 45-48.

Поступила в редакцию 27.03.2017