Forest stands’ die-off after a peat fire in drained sphagnum-fructiculose pine forests

全文:

Лесные пожары оказывают значительное влияние на состояние и развитие природных экосистем. Особыми последствиями отличаются лесные торфяные пожары, возникающие в условиях болот и заболоченных лесов. Торфяные пожары характеризуются спецификой течения, длительностью, выбросом особо опасных для человека продуктов горения (Сирин и др., 2020). Они лидируют среди природных пожаров по количеству сгораемого материала на единицу площади (Huang, Reuin, 2017; Сирин и др., 2019). Торфяные пожары могут возникать везде, где есть болота (Hu et al.; 2018), в нашей стране –во всех природных зонах (Minaeva et al., 2013), и наиболее часто — в лесной, являясь естественным фактором развития лесных и болотных экосистем.

Болота вместе с заболоченными мелкооторфованными землями (мощность торфа <30см), с которыми они экологически близки и часто трудно разделимы в пространстве, занимают более 1/5 территории страны (Вомперский и др., 1994). Наиболее заболочена лесная зона, где широко представлены верховые (олиготрофные) болота, составляющие 18.8 % от всей площади болот страны (Вомперский и др., 2005). Более половины верховых болот облесены: 27.9 % сомкнутой и 26.1 % редкостойной древесной растительностью (Вомперский и др., 2011). На большей части территории страны до Енисея облесенные верховые болота представлены преимущественно сосняками кустарничково-сфагновыми (например, «рямы» Западной Сибири) разной полноты, высоты и диаметра, восточнее их сменяют лиственничники.

На международном (Assessment… 2008) и национальном (Вомперский и др., 2004; Зайдельман, 2011) уровнях пожары отмечены среди наибольших угроз для болот при изменении климата. Возникающие в лесах и на болотах торфяные пожары нарушают целостность экосистемы и непрерывность природных процессов, являясь разрушающим фактором (Жила, 2013).

Изучение последствий торфяного пожара в случае объекта лесоосушения создает предпосылки для анализа влияния различий лесорастительных условий, которые возникают в результате влияния дренажа. Водное питание верховых болот определяется исключительно атмосферной влагой, поэтому они наиболее уязвимы среди болот к колебаниям погодно-климатических условий. В сухие периоды при падении уровней болотных вод происходит разрыв капиллярной каймы, чему способствует высокая пористость верхних слаборазложившихся слоев торфа и сфагнового очеса (Сирин, 1999). Это защищает болота от дальнейшей потери влаги, но повышает горючесть поверхностных слоев, включая мох, очес и подстилающий торф. Пожарную опасность увеличивают богатые эфирными маслами кустарнички (Конев, 1977) и пятна лишайников.

Целью данной работы было рассмотрение динамики отпада древостоя после низового торфяного пожара в осушенных сосняках кустарничково-сфагновых за 20-летний период.

Объекты и методика

Исследование послепожарного отпада древостоя проводили на осушенном открытыми каналами верховом болоте центрально-олиготрофного хода развития Сосвятское, в кустарничково-сфагновых сосняках, на Западнодвинском лесоболотном стационаре Института лесоведения РАН, в Тверской области Западнодвинского района (N56° 09´, E32°10´).

Торфяная залежь исследуемого болотного массива имеет мощность 3 м, а окрайка болота — 0.8 м. Залежь сформирована сфагновыми и кустарничково-травяными торфами со степенью разложения, не превышающей 20—25 %. Объемная масса (плотность) в верхнем полуметровом слое изменяется от 0.050 до 0.087 г/см³. Зольность составляет 3—5 %. В нижних ярусах на участках с различным соотношением видов среди трав и кустарничков преобладают пушица влагалищная (Eriophorum vaginatum L.), подбел обыкновенный (Andromeda polifolia L.), багульник болотный (Ledum palustre L.), из второстепенных видов — марьянник луговой (Melampyrum pratense L.), росянка круглолистная (Drosera rotundifolia L.), голубика обыкновенная (Vaccinium uliginosum L.). Сфагновые мхи представлены сфагнумом божественным (Sphagnum magellanicum), сфагнумом узколистным (Sph. angustipholium (Russ.) C. Jens.), сфагнумом бурым (Sph. fuscum (Schimp.) Klinggr.).

В августе 1999 года на юго-западном склоне болотного массива Сосвятское произошел низовой торфяной пожар на площади 29 га, где опытная осушительная сеть, проложенная в 1972 г., имела различные расстояния между осушительными каналами (60—160 м) при глубине их ко времени пожара 1 м (рис. 1). Данные предыдущего исследования (Вомперский и др., 2007) показывают, что огонь продвигался внутри межканавья 160 м (пробная площадь 1, далее ПП 1) в обоих направлениях, но больше на восток. Позже низовой пожар перебросился через канаву, в соседнее с юга межканавье. Распространение огня на запад было приостановлено магистральным каналом, продвижение пожара на север продолжалось внутри межканавья 60 м (ПП 2). Пожар был локализован за 12 часов, но тление длилось еще сутки.

 

Рис. 1. Схема расположения ПУ на территории, пройденной пожаром 1999 г. Условные обозначения: сплошные линии — осушительные каналы; пунктирная линия — граница пожара. ПУ 1а, 2а, 2b, 4а — приканальные полосы; ПУ 1, 2, 4 — середина между каналами; ПУ 3 — окрайка болота.

 

Согласно многолетним данным метеостанции Западной Двины (Тверская обл.), вегетационные периоды 1999—2004 гг. характеризовались более теплой погодой и малым количеством осадков. За май-июль 1999 г. осадков выпало на 33 % меньше нормы. Это вызвало понижение болотных вод к началу августа вблизи каналов на 69—72 см, а в середине — на 50—62 см (соответственно на ПП 1 и ПП 2). Прекратился сток по осушительной сети. Однако за неделю до пожара прошли три дождя и выпало 97.5 мм осадков, в результате которых уровень болотных вод между каналами поднялся до 18—31 см от поверхности почвы, а вблизи каналов — до 37—38 см (соответственно на ПП 4 и ПП 2). Пожар случился, когда уровень почвенно-грунтовых вод (УПГВ) был близок к среднемноголетней норме. Замеры УПГВ осуществлялись полой алюминиевой трубкой диаметром 1 см и длиной 150 см с нанесенными по внешней стороне миллиметровыми рисками. Смотровые скважины (колодцы), в которых замеряли УПГВ, представляют собой полые, перфорированные по всей длине пластиковые трубы диаметром 3 см, один из концов которых закреплен в минеральном грунте или на значительной (до 2 м) глубине в торфе. До пожара на болотном массиве произрастали разновозрастные (40—130 лет) сосняки кустарничково-сфагновые III—IV классов текущего бонитета. В сосняках проводили перечислительную таксацию по ступеням толщины с определением диаметра (d), высоты (h) и возраста древостоя. Древостои рассматривались как условно двухъярусные.

На территории, пройденной огнем, были заложены четыре ПП от 0.15 до 0.24 га в самых репрезентативных местах: учитывались интенсивность пожара (т. к. выгорание было неравномерным), степень осушения — расстояние между каналами, УПГВ на каждой ПП в приканавных зонах и в середине межканавного пространства. ПП были разделены дополнительно на пробные участки (ПУ) в зависимости от положения в межканавном пространстве (рис. 1). ПП характеризовали участки с расстоянием между осушительными каналами 160 (ПУ 1, 1а), 106 (ПУ 4, 4а) и 60 м (ПУ 2, 2а, 2б). ПП 3 была заложена на пройденной огнем окрайке болота (табл. 1).

 

Таблица 1. Характеристика пробных площадей, пройденных пожаром, на болотном массиве Сосвятское до пожара

ПП	ПУ	Расстояние между каналами, м	Общее количество деревьев до пожара		Древостой
			шт/га	шт/ПУ	d, см	h, м	Возраст, лет
1	1	160	2958	355	11.9	9.4	90—110
	1а		3130	275	12.1	10.0	80—130
2	2	60	5123	292	12.0	10.2	70—100
	2а		5965	340	12.2	10.9	50—110
	2б		4000	228	12.5	10.4	70—80
3	3	Окрайка болота	2344	293	17.1	15.1	60—110
4	4	106	4720	354	12.9	10.6	100—130
	4а		3267	245	11.6	10.1	90—130

 

Сплошной перечет проводили в 2001, 2002, 2004, 2014 гг., было посчитано и измерено 2382 дерева. При оценке послепожарного отпада учитывали погибшие при пожаре и жизнеспособные деревья, поврежденные огнем. В 2022 г. на ПП провели актуализацию данных прошлых лет, при сплошном перечете посчитали и обмерили 108 живых деревьев.

Результаты и обсуждение

После пожара определяли высоту нагара на стволах и глубину прогорания торфа как основные критерии и показатели степени повреждения торфяным пожаром, фиксировали УПГВ (табл. 2).

 

Таблица 2. Характеристика послепожарных изменений на ПП

ПП	ПУ	Погибшие деревья,%	Средняя высота нагара на стволах, м	Средняя глубина прогорания торфа, см	УПГВ, см
1	1	99.4	2.8	1—2	31
	1а	98.9	2.5	2—2.5	42
2	2	96.6	0.7	7—8	31
	2а	95.0	0.8	10—12	38
	2б	89.5	1.0	10—12	38
3	3	78.8	1.0	12—15	62
4	4	98.0	1.7	5—7	18
	4а	100.0	3.7	8—10	37

 

В первые годы после пожара произошел основной отпад древостоя на болотном массиве (87—100 %) и на окрайке болота (79 %). Этот факт подтверждают и другие исследователи (Жила, 2013; Ковалева, 2014; Иванова и др., 2014; Архипов, Залесов, 2017). На ПП 1 деревья погибли от теплового удара, высота нагара на стволах достигала 2.8 м, огонь повреждал нижние ветви. Корни деревьев почти не пострадали, огонь бегло прошел по кустарничкам, поразив камбиальный слой стволов. При беглом низовом пожаре поражается напочвенный покров, иногда страдает подрост и подлесок (Щербов и др., 2015). Беглый огонь не затрагивает торфяную почву, и пожар не переходит в почвенный (Ефремова, Ефремов, 1994, 2006). На третий год после пожара на этой ПП живых деревьев не осталось (табл. 3).

Древостой на ПП 2 в равной мере пострадал от теплового удара и повреждения корней. На этой площади произошли сильные вывалы древостоя в приканальных полосах. Спустя 2—3 года после пожара сохранилось несколько десятков сосен.

На ПП 3, расположенной в облесенном кольце, на окрайке болота, низовой пожар местами переходил в почвенный. Здесь выгорел значительный слой торфа, иногда до 20—25 см, в среднем 12—15 см (табл. 2). Объясняется это тем, что структура сложения древесных корневых систем на болотах многоярусная (Иванов, 1979). Из-за этой ступенчатости образуются пустоты, обусловливающие при горении тягу, как в печке. Пламя быстро занимает это пространство. За счет высоких температур идет дополнительное подсушивание торфа и горение, а чаще тление, которое распространяется вглубь и по периферии. В результате выгорания торфяного горизонта обнажались и повреждались корневые системы древостоя и кустарничков. На 2—3 год на ПП 3 оставались живые деревья, но отпад их происходил более интенсивно, чем на ПП 2 (табл. 3).

 

Таблица 3. Динамика отпада древостоя после пожара по данным 2001—2022 гг.

ПП	ПУ	Абсолютное и относительное количество живых деревьев после пожара
		2001		2002		2004		2014		2022
		шт/ПУ	%	шт/ПУ	%	шт/ПУ	%	шт/ПУ	%	шт/ПУ	%
1	1	2	0.6	0	0.0	0	0.0	0	0.0	0	0.0
	1а	3	1.1	0	0.0	0	0.0	0	0.0	0	0.0
2	2	39	13.4	37	12.7	34	11.6	29	9.9	29	9.9
	2а	17	5.0	16	4.7	16	4.7	11	3.2	11	3.2
	2б	24	10.5	20	8.8	20	8.8	15	7.0	15	7.0
3	3	62	21.2	52	17.7	49	16.7	48	16.4	48	16.4
4	4	7	2.0	7	2.0	7	2.0	5	1.4	5	1.4
	4а	0	0	0	0.0	0	0.0	0	0.0	0	0.0

 

На ПП 4 в приканальной полосе погиб весь древостой (табл. 3), сосны диаметром до 4 см сгорели вместе с кронами так, что при перечете было невозможно измерить их высоты. Известно (Архипов, Залесов, 2017), что при низовых пожарах слабой и средней интенсивности деревья диаметром менее 5 см погибают, в то время как деревья диаметром 16—18 см сохраняют жизнеспособность.

Наибольшая или полная гибель древостоя произошла в приканальных полосах, к которым примыкают ПУ 2а, 2b и 4а, интенсивнее осушенных, по сравнению с серединой между каналами на ПУ 2 и 4. Исключением из этих случаев стала ПП 1, откуда начался пожар и где сгорели все деревья, вне зависимости от расположения ПУ от края канавы (табл. 3).

Спустя 5 лет после пожара (2004 г.), несмотря на размножение соснового лубоеда, гибель уцелевших (живых) деревьев по сравнению со вторым годом была не столь значительной, как можно было ожидать (табл. 3). Оставшиеся после пожара деревья оказались вполне жизнеспособными, имеющими наибольшие диаметры и высоты, чем сгоревшие. Число живых деревьев сократилось на ПП 2 и ПП 3 в среднем на 13 и 21 % соответственно. На ПП 4 количество деревьев осталось прежним. Отпад деревьев на ПП 4 происходил в течение 15 лет (в среднем на 20 %). Таким образом, изучаемый пожар имел катастрофические последствия для более продуктивных, чем до осушения, сосняков. Отпад древостоя составил 80—100 %. Известно, что гидролесомелиорация является эффективным средством повышения производительности лесов, способствует увеличению покрытой лесом площади, увеличивает прирост и накопление запасов древесины (Саковец, 2005; Кудряшев, 2011). Через 10—25 лет после осушения на объектах исследования работали сотрудники (лесоводы) Западнодвинского лесоболотного стационара, которые показали (Иванов, Бунин, 1986; Лебков, 2001), что в результате осушения в сосняках произошло увеличение суммы площадей сечения, запаса стволовой массы, полнот, повысился бонитет, т. е. древостой стал более продуктивным, чем до осушения.

Прослеживается зависимость погибших деревьев от высоты нагара на стволах (рис. 2). Чем выше нагар на стволах, тем больший процент погибших деревьев на ПП. При высоте нагара 2.8 и 3.7 соответственно на ПП 1 и ПП 4 процент погибших деревьев составил 100 % (табл. 2).

 

Рис. 2. Зависимость погибших деревьев от высоты нагара на стволах.

 

УПГВ также повлиял на интенсивность огня и соответственно на гибель древостоя. На каждой ПП, где в приканавных полосах УПГВ находился глубже, чем в середине между каналами, процент погибших деревьев был большим (95.0, 89.5, 100.0 % соответственно на ПУ 2а, 2б, 4а), кроме ПП 1, где уже на 3-й год погибли все деревья (табл. 3).

После 2004 г. отпад деревьев практически прекратился, и к 2014 году наибольшее количество деревьев сохранилось на ПП 3 (48 шт.) и ПП 2 (29 шт.) в межканавном пространстве (табл. 3). Это можно объяснить меньшей интенсивностью пожара на этих ПП, где высота нагара на стволах не превышала 1 м. Кроме того, древостой на ПУ 3 имел диаметр 17.1 см и высоту 15.1 м, в отличие от остальных ПУ (табл. 1).

Ряд авторов (Kasischke et al., 1995; Шубин, Залесов, 2013; Архипов, Залесов, 2017) отмечает, что устойчивость деревьев к огню, т. е. жизнеспособность, зависит от их диаметра на высоте 1.3 м и высоты нагара на стволах. Первый показатель характеризует размер дерева, от которого зависит пожароустойчивость, а второй — степень интенсивности пожара.

По данным перечета 2022 г. на ПУ 2 и 3 сохраняется 10 и 16 % живого древостоя соответственно от первоначального послепожарного.

Заключение

Исследуемый пожар средней интенсивности имел катастрофические последствия для лесных насаждений. Гибель сосняков кустарниково-сфагновых составила 80—100 %. Погиб более продуктивный, чем до осушения, древостой даже при сравнительно небольшом прогорании торфа. Лесные экосистемы на осушенных болотах более ранимы при низовых торфяных пожарах, чем леса на минеральных почвах, где нет таких опасных проводников горимости в виде хорошо развитого яруса болотных кустарничков, способствующих воспламенению, и где пожар не переходит в почвенный.

С учетом снижения УПГВ при приближении к каналам создаются условия для большей пожароопасности. Последствия для древостоя оказались более сильными в относительно более осушенных местопроизрастаниях вблизи осушительных каналов (ПУ 2а, 2б, 4а), чем на удаленных от каналов участках (ПУ 2, 4). Лишь в самом высоком первом ярусе древостоя на окрайке болота они оказались меньше.

Показано наличие зависимости величины послепожарного отпада деревьев от высоты нагара на стволах (R²= 0.5622).

作者简介

M. Pokoeva

Institute of Forest Science of the RAS

编辑信件的主要联系方式.
Email: mpokoeva@yandex.ru
俄罗斯联邦, Sovetskaya st. 21, Uspenskoe, Odintsovsky District, Moscow Oblast, 143030

T. Glukhova

Institute of Forest Science of the RAS

Email: mpokoeva@yandex.ru
俄罗斯联邦, Sovetskaya st. 21, Uspenskoe, Odintsovsky District, Moscow Oblast, 143030

A. Sirin

Institute of Forest Science of the RAS

Email: mpokoeva@yandex.ru
俄罗斯联邦, Sovetskaya st. 21, Uspenskoe, Odintsovsky District, Moscow Oblast, 143030

参考

补充文件