Естественная и антропогенная динамика лиственничных лесов криолитозоны (на примере Якутии) (05.09.2011)

Автор: Исаев Александр Петрович

Характер и интенсивность экзогенных факторов (пожар, рубка леса) в условиях некатастрофического развития криогенных процессов влияют на ход развития постантропогенной растительности главным образом на начальных этапах сукцессионного процесса. В последующем ход лесообразовательного процесса ведет к формированию климаксовых темнохвойных (Юго-Западная Якутия), а в условиях неоднократного прерывания лесными пожарами – квазиклимаксовых лиственничных лесов (на остальной территории Якутии).

Лиственничные биомы мерзлотной зоны являются одним из основных элементов сохранения природного баланса на локальном, региональном и глобальном уровнях, в связи с чем они нуждаются в принятии комплекса специальных мер охраны.

О/Energy Balance and Climate over Boreal Regions With Special Emphasis on Eastern Eurasia” (Yakutsk, 2008); The International Symposium «Sentinel Earth, Detection of Environmental Change» (Sapporo, Japan, 2008); Proceedings of 4th International WS «C/H2O/Energy balance and climate over regions with special emphasis on Eastern Eurasia» (Yakutsk, 2009); Международная научно-практическая конференция «Культурное наследие и туризм Сибири» (Якутск, 2009); Международная научная конференция «Дельты Евразии: происхождение, эволюция, экология и хозяйственное освоение» (Улан-Удэ, 2010); IX международный симпозиум по развитию холодных регионов ISCORD (Якутск, 2010) и др. Всероссийские: ХI Всесоюзн. симп. «Биологические проблемы Севера» (Якутск, 1986); Всероссийская конференция «Проблемы лесовосстановления в таежной зоне СССР» (Красноярск, 1988); Всероссийская конференция «Теория лесообразовательного процесса» (Красноярск, 1991); Всероссийская конференция, посвященная 60-летию Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и 70-летию образования Красноярского края (Красноярск, 2004); Всероссийская научно–практическая конференция «Геоботанические и ресурсоведческие исследования в Арктике», посвященная 100-летию со дня рождения проф. В.Н.Андреева (Якутск, 2007); Научно-практический семинар «Порядок и методики проведения экологических, археологических и землеустроительных работ при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений» (Сочи, 2009) и др. Региональные: научно-практич. конф. «Экология растительного мира Якутии» (Якутск, 1991); конф. «Механизмы адаптации организмов Севера» (Якутск, 1994); конф. «Экологические и генетические исследования в Якутии» (Якутск, 1995); конф. «Теоретические и прикладные проблемы охраны генофонда и обогащения биоразнообразия» (Якутск, 1997); конф. «Проблемы изучения растительного покрова Якутии» (Якутск, 2003); научно-практич. конф. «Экологическая безопасность при разработке россыпных месторождений алмазов» (Якутск, 2004); научно-практическая конференция «Лесные исследования в Якутии: итоги, состояние и перспективы» (Якутск, 2006); научно-практическая конференция «Научное обеспечение реализации мегапроектов Республики Саха (Якутия)» (Якутск, 2008); научно-практическая конференция «Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска» (Якутск, 2009) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 160 работ, в т.ч. 12 коллективных монографий, 13 статей в рецензируемых и рекомендованных ВАК изданиях, 12 статей в иностранных журналах, имеющих импакт-фактор, 5 картографических материалов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 430 (вместе с таблицами, рисунками, приложениями) страницах, иллюстрирована 94 рисунками и 92 таблицами. В конце приводится 2 приложения. Список литературы состоит из 515 названий, в числе которых 40 – на иностранных языках.

Благодарности. Автор признателен своим учителям д.б.н., профессору И.П. Щербакову, к.б.н., профессору БГФ СВФУ П.А. Тимофееву, сотрудникам лаборатории лесоведения к.б.н. А.М. Бойченко, к.с-х.н. И.Ф. Шурдук, Н.С. Медведевой за всемерное содействие в работе над диссертацией, а также чл.-кор. РАН, акад. АН РС (Я), д.б.н. Н.Г. Соломонову, д.б.н., проф. А.П. Абаимову, акад. АН РС (Я), д.б.н., проф. Д.Д. Саввинову, проф. К. Такахаши (Университет Саппоро, Япония), проф. Т. Ахти (Университет Хельсинки, Финляндия) за ценные советы и консультации, д.б.н. Р.В. Десяткину, д.б.н. Т.Х. Максимову, д.б.н. Л.И., Милютину, д.б.н. Е.Н. Муратовой, д.б.н. С.Н. Санникову, д.б.н. М.М. Черосову, проф. Х. Хатано, докторам Т. Кажимото, И. Мацуура, Т. Савамото, К. Кушида, Х. Сайто, Г. Такао (Университет Саппоро, Япония), проф. Е.Д. Шульцу (Институт Макса Планка, Германия), доктору Н. Коху (Университет Байройт, Германия) и многим другим за поддержку в выполнении проектов. Я глубоко признателен всем коллегам, в особенности Н.М. Ситникову, Б.А. Павлову, И.Б. Иванову, Л.Г. Михалевой, А.В. Протопопову, И.И. Чикидову, Айт.П. Ефимовой, Л.П. Лыткиной, В.В. Протопоповой, Ал.П. Ефимовой, С.В. Колесову, А.С. Колесовой за помощь в сборе и обработке полевого материала. Особая благодарность руководству и сотрудникам Департамента по лесным отношениям РС (Я) (руководитель – В.С. Олесов), отдельных лесничеств, инспекций охраны ряда улусов республики, Усть-Ленского заповедника, природных парков «Ленские Столбы», «Синяя», «Колыма», Управления образования Верхоянского улуса, ряда ресурсных резерватов за практическую помощь в организации работ.

Глава 1. ОБЪЕКТ, ОБЪЕМ И МЕТОДИКА РАБОТ

Исследование лесного покрова, лесовозобновления под пологом древостоев и на вырубках, гарях и шелкопрядниках проводилось в 1987-2010 гг. Программа исследований включала обследование лесного покрова всей Якутии, вырубок – на территории Центрально-Якутского, Среднеленского, Юго-Западного Приленского лесорастительных округов (места концентрации современных лесозаготовок на территории Якутии и наличия перспективных для освоения лесных массивов), гарей – преимущественно на территории Центральной Якутии, как наиболее пожароопасного региона Якутии, шелкопрядников – на территории Центральной Якутии. Стационарные площади были заложены в окрестностях стационарах ИБПК СО РАН «Спасская падь» (г. Якутск) и ИМЗ СО РАН «Нэлэгэр», урочище Аппа-Анна (Намский улус), урочище Юдаа (Усть-Майский улус), территории природного парка «Ленские Столбы» (Хангаласский улус), окрестностях с. Матта (Мегино-Кангаласский улус), окрестностях с. Чычымах, Уолба, Боробул (Таттинский улус), острове Тит-Ары (Булунский улус).

Во время экспедиционных маршрутов производились лесоводственно-геоботанические исследования с использованием стандартных и специальных методов лесоводственных и геоботанических исследований (Каппер, 1930; Сукачев, Зонн, 1961; Александрова, 1960, 1964, 1974; Бельгард, 1950; Буторина, 1963; Побединский, 1962, 1966; Корчагин, 1960; Бейдеман, 1960; Шалыт, 1960; Понятовская, 1960; Александрова, 1964; 1969; Серебряков, 1964; Поздняков, Протопопов, Горбатенко, 1969; Грибова, Исаченко, 1972; Фалалеев и др.,1974; Миркин, 1974; Миркин, Розенберг, 1978; Справочник по лесосеменному делу, 1978; Горышина, 1979; Уиттекер, 1980; Ибрагимов, Полуяхтов, 1982; Нешатаева, 1987, 2001; Миркин и др., 1989; Блюменталь, 1990; Титлянова, 1993; Миркин, Наумова, 1998; Лебедева, Дроздов, Криволуцкий, 1999 и др.).

За 1987-2010 гг. в разных районах обследовано и описано около 1200 разных типов лиственничников, заложено 120 пробных площадей на гарях, 200 – на разновозрастных вырубках, по 30 – в шелкопрядниках и на техногенно нарушенных территориях, в том числе более чем на 100 трансектах, проложенных с учетом градиента рельефа или других экологических условий.

Глава 2. ЛЕСОВОДСТВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Физико-географические условия формирования лесов. Республика Саха (Якутия) – один из крупнейших по размерам субъектов Российской Федерации. Площадь ее – 3,103 млн. км2. Территория республики размещена в пределах трех природных зон – зоны арктических пустынь и полупустынь, тундровой зоны с подзонами арктических и субарктических тундр и таежной зоны, занимающей 72% территории и представленной подзонами притундровых лесов, северной и средней тайги. На большей территории республики выражен горный рельеф.

Дается характеристика природных условий республики. Особое внимание уделено характеристикам, отличающим регион от всех остальных: резко континентальный, очень засушливый климат; наличие сплошной многолетней мерзлоты мощностью 200-500 и более; повсеместное распространение жил, линз и прослоек подземного льда; распространенность криогенных процессов; наличие своеобразных термокарстовых форм рельефа, таких как аласно-озерные котловины; своеобразие почвенного покрова таежной Якутии, где распространены мерзлотные палевые почвы, не имеющие аналогов вне зоны вечной мерзлоты и т.д.

2.2. Общая характеристика лесного покрова. Дана общая характеристика лесов Якутии, сформировавшихся и функционирующих в условиях близкого залегания многолетней мерзлоты. На основе анализа литературных данных и собственных наблюдений автора приводятся сведения об особенностях состава, пространственно-функциональной структуры, производительности, восстановительной способности, накладываемых экстремальными условиями произрастания. Это дает основание говорить о том, что леса на вечной мерзлоте чрезвычайно уязвимы, при нарушении растительности сильно изменяются вплоть до превращения в пустыри. На территориях, где имеются подземные линзы льда, в результате воздействия экзогенных факторов (лесные пожары, заготовка древесины, инвазии насекомых, промышленное и сельскохозяйственное освоение лесных территорий, изменение климатических характеристик и др.) происходят термокарстовые процессы.

2.3. Лесорастительное районирование. В пределах Якутии выделены шесть лесорастительных провинций и одиннадцать округов (рис. 1): Лесорастительные провинции: I – Арктическая тундровая; II – Северная притундровая лиственничных редколесий; III – Северо-Западная предгорная северотаежная лиственничных лесов; IV – Северо-Восточная горная и предгорная северотаежная лиственничных лесов; V – Центральноякутская среднетаежная сосново-лиственничных лесов; VI – Южноякутская предгорная и горная среднетаежная темнохвойных и сосново-лиственничных лесов; Лесорастительные округа: 1 – Северный притундровый лиственничных редколесий и редин; 2 – Оленекский северотаежный лиственничных лесов; 3 – Верхоянский северотаежный горный лиственничных лесов; 4 – Колымский северотаежный предгорный лиственничных лесов; 5 – Западновилюйский среднетаежный сосново-лиственничных лесов; 6 – Средневилюйский среднетаежный сосново-лиственничных лесов; 7 – Лено-Амгинский аласно-среднетаежный сосново-лиственничных лесов; 8 – Среднеленский среднетаежный сосново-лиственничных лесов; 9 – Лено-Витимский предгорный среднетаежный сосново-лиственничных лесов с участием темнохвойных; 10 – Алданский горный среднетаежный сосново-лиственничных лесов и кедровостлаников; 11 – Учурский горный среднетаежный сосново-лиственничных лесов, ельников и кедровостлаников.

Рис. 1. Лесорастительное районирование Якутии

2.4. Особенности биологии и экологии лиственниц. На основе анализа литературных данных и материалов наблюдений автора дана характеристика биологических свойств, особенностей экологии лиственниц Каяндера, Гмелина, сибирской. Лиственница – одна из наиболее выносливых, неприхотливых пород и лучше, чем какая-либо другая хвойная порода, приспособлена к существованию на почвах, подстилаемых многолетней мерзлотой.

Отличительной чертой лиственниц Гмелина и Каяндера, способствующей быстрому заселению нарушенных площадей (гари, вырубки, раскорчевки) являются то, что они могут давать массовые всходы при осветлении древостоев или их удалении. Часто возникающие лесные пожары способствовали формированию у лиственницы Каяндера приспособленности к периодическому воздействию огневого фактора. Пирогенный фактор в условиях Якутии является не только фактором, определяющим состояние лесов, но и стимулирующим лесовозобновление, обуславливающим весь ход формирования лиственничников (Уткин, 1965; Поздняков, 1975; Степанов, 1985; Исаев, 1993 и др.).

2.5. Фитоценотическая характеристика лесов. О типологическом составе лиственничных лесов Якутии имеется много литературных материалов (Cajander, 1903, 1904; Сукачев, 1912; Дробов, 1914, 1927; Поздняков, 1955, 1961; Чугунов, 1955, 1961, 1966; Тюлина, 1957, 1959, 1962; Уткин, 1959, 1960, 1965; Щербаков, 1962, 1964, 1971, 1975; Леса…, 1994; Тимофеев, 2003 и др.). Наиболее полными обзорами типов леса Якутии являются работы И.П. Щербакова «Лесной покров Севера-Востока СССР» (1975), П.А. Тимофеева «Леса Якутии…» (2003). В условиях засушливого климата значительной части среднетаежной Якутии ведущим фактором лесообразования является обеспеченность экотопа влагой. В соответствии с основанными степенями влажности почв все типы лиственничников объединены в 4 группы типов (по аналогии со схемой, принятой И.П.Щербаковым: сухих, средневлажных, сырых и заболоченных). На основе анализа литературных (Леса…, 1994; Тимофеев, 2003 и др.) и собственных описаний на территории Якутии представлена схема основных типов леса.

Глава 3. ЭКЗОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ДЕГРАДАЦИЮ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ

3.1. Лесные пожары являются естественным экологическим фактором в бореальных лесах (Уткин, 1965; Санников, 1983; Фуряев, 1996 и др.), поэтому нормальное экологическое функционирование лесов Якутии в значительной степени определяется пожарами. За период с 1955-2010 гг. в Якутии зарегистрировано около 30 тыс. пожаров, в т.ч. за последние 10 лет – около 3,5 тыс. пожаров на общей площади свыше 2 млн. га или около 5% площади охраняемой части территории республики (рис. 2). За период с 1955 по 2010 гг. наиболее пожароопасными были 1973, 1984-1987, 1990-1993, 1996, 2001-2003, когда регистрировалось свыше 800 пожаров. В целом выделяются 4-6-летние, 10-14-летние циклы высокой горимости лесов Якутии, что в целом более или менее совпадает с цикличностью природных процессов.

Рис. 2. Статистика лесных пожаров в Якутии

3.2. Лесозаготовки. Для лесной промышленности в республике характерна концентрация лесозаготовок на доступной части тайги вблизи населенных пунктов и транспортных артерий, экстенсивная технология лесосечных работ. В связи с этим в отдельных районах Якутии (Средняя Лена, Алданский район) в местах концентрации лесозаготовок вследствие чрезмерных рубок, развития промышленной инфраструктуры и катастрофических пожаров лесной покров сильно расстроен.

В настоящее время в среднетаежной под зоне Якутии при разработке лесосек применяется преимущественно сплошно-лесосечная технология лесозаготовок, а зачастую одна из ее форм, называемая сплошно-куртинными рубками. Это связано с куртинным размещением возрастных групп деревьев на лесной площади. Величина таких куртин достигает 2 - 5 га. Древесина в хозяйстве республики используется в основном в виде круглых лесоматериалов (включая дрова) и пиловочника. В 90-е годы прошлого столетия заметно снизились объемы лесозаготовок – с 4,1-4,8 млн.м3 древесины в год до менее чем 2 млн.м3 в настоящее время.

3.3. Инвазии энтомовредителей. Среди видов, поражающих лиственничные леса Якутии, главенствующую роль играет сибирский шелкопряд Dendrolimus superans sibiricus Tschetv. В 1999-2001 гг. на территории Центральной Якутии была отмечена одна из крупнейших в истории массовая вспышка сибирского шелкопряда (Рис. 3). По результатам лесопатологического мониторинга 2009 года вновь обнаружены очаги  сибирского шелкопряда в районах Центральной Якутии: Таттинском – 320 га, Чурапчинском – 2023 га, Хангаласском – 37 га. Для более точной оценки площадей шелкопрядников использованы данные европейского спутника SPOT4-Vegetation. Уровень снижения показателя NDVI с июля 1999 года по отношению к показателям 2000 и 2001 гг. на 20% соответствует для районов повышенной численности шелкопряда, и более 35% - для очагов массового размножения с погибшими древостоями (Чикидов, Борисов, Исаев, 2010).

Выявлены следующие формы криогенных процессов, имеющие место в шелкопрядниках: термоэрозия; термокарстовые просадки с обводнением лесных участков; обводнение аласных котловин надмерзлотными водами, выступающими из окружающей межаласной тайги; оползневые явления на склонах увалов.

Рис. 3. Картосхема очагов массового размножения шелкопряда в Центральной Якутии в 1999-2001 гг. по данным натурных наблюдений (А) и космоснимков SPOT4-Vegetation (Б)

1 – границы улусов; 2 – речная система; 3 – крупные населенные пункты; 4 – точки полевых исследований; А – очаги массового размножения шелкопряда, массивы погибших лесов; Б – районы повышенной численности шелкопряда

Глава 4. ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭКЗОГЕННЫХ ФАКТОРОВ

4.1. Влияние лесной растительности на состояние мерзлоты. Растительный покров, являясь буфером и играя значительную роль в процессе тепло-, влагообмена между атмосферой и земной поверхностью, в значительной степени определяет термический режим почвогрунтов. Ведущим фактором среды в области криолитозоны является мощность сезонно талого слоя (СТС), которая меняется в возрастном ряду развития фитоценоза (рис. 4).

Рис. 4. Мощность слоя сезонного протаивания на разных стадиях зарастания вырубок в лиственничнике разнотравно-брусничном в Центральной Якутии

Стабилизирующая роль леса особенно важна для уязвимых к воздействию ландшафтов. Среди них территории, где под лесной растительностью распространен так называемый ледовый комплекс. Учитывая широкое распространение и глубину явления, вызывающего дестабилизацию лесных ландшафтов, следует говорить об особой значимости здесь лесного покрова, как одного из действенных факторов, способствующих сохранению многолетнемерзлых пород.

Основываясь на данных карты зонального распространения многолетней мерзлоты (Соловьев, 1989), выявлены районы, в которых лесная растительность играет особо важную роль в стабилизации мерзлотных ландшафтов (рис. 5). В выделенных регионах Якутии природосберегающая функция леса значительно превалирует над его значением, как природного ресурса. Предлагается в перечне защитных свойств лесов выделить функцию по сбережению мерзлоты. Эксплуатация таких лесов без щадящего режима может вызвать дестабилизацию таежных ландшафтов. Поэтому их следовало бы отнести к защитным лесам с их спецификой ведения хозяйства.

Рис. 5. Схема распространения лесов, выполняющих

мерзлотозащитные функции

4.2. Изменения микроклиматических условий на гарях. Приведены результаты исследований температурного режима почвы и приземного слоя воздуха, влажности и мощности сезонно-талого слоя в сукцессионном ряду разновозрастных гарей и в лиственничном лесу на примере Центральной Якутии. Отмечается, что в целом в первые годы на гарях повышается температура воздуха и почвы (в июле приземный слой воздуха теплее на 1,2-1,4(, почвы - 5,5(, в августе - на 0,6-1,1(, почвы – 3,2(), увеличивается амплитуда их колебаний, изменяются режим влажности почвы (влажность почвы увеличивается на 1-2-летних гарях - в 1,1-2,3 раза, на 10-12-летних - в 1,1-1,7 раза) и мерзлотные условия. В 2002 г. на свежей гари лиственничника брусничного (Центральная Якутия) почва протаяла более чем в 2 раза глубже, чем в лесу (табл. 1). Это объясняется тем, что на гарях в первые годы создаются благоприятные условия для интенсивного прогрева почвы, что обусловлено хорошим поглощением солнечной радиации ее зачерненной поверхностью и уменьшением затеняющей способности крон деревьев, вследствие чего увеличивается поступление прямой солнечной радиации (Короходкина, 1975; Тарабукина, Саввинов, 1990).

Таблица 1

Изменение мощности СТС на гарях и в лиственничнике брусничном, в см

Участки 2002 2003 2004

VI VII VIII VI VII VIII VI VII VIII


загрузка...