Пирогенная трансформация литоземов в лесостепи Западного Забайкалья

Лесные пожары являются экологическим фактором динамики и функционирования экосистем [Влияние природных пожаров... 2011; Chandra, Bhardwaj, 2015]. В зависимости от силы и частоты в горных лесах они могут служить источником деградации почвенного покрова в результате нарушения верхнего органического слоя, смыва мелкозема и выноса многих биогенных элементов [Краснощеков,

2022; Badia, Marti, 2008; Carroll et al., 2007; Neary et al., 2012], так и обеспечивать развитие растительности, тем самым нивелировать почвенную эрозию [Morales et al., 2013]. Необходимо отметить, что степень пирогенного влияния на почвообразование зависит как от геоморфологических условий территории, так и от особенностей лесных горючих материалов и интенсивности пирогенного воздействия [Краснощеков, Чередникова, 2022]. Таким образом, пирогенный фактор, оказывая значимое воздействие на почвы и почвообразование в лесных экосистемах, требует изучения последствий его проявления в свойствах почв, приуроченных к разным областям вертикальной зональности.

В горной лесостепи Западного Забайкалья, где преобладает засушливый климат, возникают природные пожары, которые в последние десятилетия все чаще проявляют их деструктивную роль в трансформации лесов [Евдокименко, 2008; Иванов, Евдокименко, 2017; Украинцев, Плюснин, 2015]. Участившийся характер, частота возникновения пожаров и постпирогенные последствия негативно воздействуют на их состояние, вызывая денудационные процессы на склонах и локальное обезлесение территории.

В связи с осложнившейся ситуацией с пожарами в регионе появилась проблема низкой производительности древостоев на крутых склонах в их верхних частях в послепожарный период как результат ухудшения лесорастительных свойств почв. Это связано с тем, что при высоком температурном воздействии на почвенную поверхность происходят нарушение ее структурного состояния, ухудшение водно-физических и изменение содержания питательных элементов. Степень проявления пирогенных признаков в почвах хорошо прослеживается как в морфологии ее верхних органогенных горизонтов, так и в параметрах ее основных свойств [Шахматова, Сымпилова, 2023].

Цель работы состояла в анализе водно-физических и физико-химических свойств органо-аккумулятивных горизонтов литоземов серогумусовых для оценки их динамики и влияния на послепожарное лесовосстановление на гарях в горных условиях.

Обьекты и методы

Исследования проводились в Тарбагатайском районе Республики Бурятия в пределах хр. Станичный. В целом для территории свойствен резко континентальный климат, проявляющийся в низких среднегодовых температурах воздуха, малом количестве осадков и засушливости теплого (с ранней весны до осени) периода года [Экологический атлас... 2015].

В растительном покрове распространены лесостепные сосновые (с примесью березы и осины) леса, которые подвержены периодическим пожарам, чаще природного происхождения.

Для изучения свойств почв пирогенно-трансформированных лесов были заложены три пробные площади, которые представлены участками леса на гарях (рис.), сформированных в разные годы пожарами средней интенсивности: на 1-летней гари, на гари 10-летнего возраста и на гари возрастом более 15 лет. Пробные площади заложены на высотах 890–900 м над уровнем моря.

а                          б                             в

Рис. Пирогенно-трансформированные леса на разновозрастных гарях (а — 1-летняя гарь; б — гарь 10-летней давности; в — гарь возрастом более 15 лет)

Возраст пожаров на исследуемых участках определялся по «Книгам учета лесных пожаров» Заудинского лесхоза и отчетам Агентства лесного хозяйства Республики Бурятия1. Интенсивность пожара на каждом участке определялась согласно рекомендациям П. А. Цветкова (2006).

Пробная площадь № 1 представлена 1-летней (свежей) гарью, расположенной в кострецово-кипрейно-разнотравном сообществе сосново-березового леса. Крутизна склона составляет 4–5 °. Древостой на этом участке состоит из сосны ( Pinus silvestris L.) и березы ( Betula pendula Roth.). Соотношение древостоя составляет 6С4Б. В травяно-кустарничковом ярусе произрастают Bromus inermis (Leysser) Holub, Chamerion angustifolium (L.) Holub, Phlomis tuberosa L., Aster alpinus L., Potentilla tanacetifolia Willd. Ex Schlecht, Carex pediformis C. A. Meyer, Rosa aci-cularis Lindley, Rubus saxatilis L. Проективное покрытие травяно-кустарникового яруса составляет 20–30 %. Последствия пожара проявляются в обугливании коры деревьев, формировании опада из хвои и листьев, уничтожении мхов и лишайников и заметном прогорании подстилки.

Пробная площадь № 2 расположена в шиповниково-разнотравно-кострецовом сообществе соснового леса с примесью березы и осины. Состав древостоя — 5С3Б2Ос. Крутизна склона — 6–7 °. Этот участок представлен гарью, образованной пожаром средней интенсивности 10 лет назад. Имеется подрост сосны, березы в возрасте 7–9 лет. Среди трав и кустарников выявлены: Bromus inermis (Leysser) Holub, Chamerion angustifolium (L.) Holub, Dendranthema zawadskii subsp. peliolep-sis (Trautv.) Boldyreva, Vicia cracca L., Antennaria dioica (L.) Gaertn., Iris ruthenica Ker-Gawler, Artemisia gmelinii Web. Ex Stechm., Calamagrostis epigeios (L.) Roth,

Pulsatilla turczaninovii Krylov et Serg., Cotoneaster melanocarpus Fischer ex Blytt, Rosa acicularis Lindley, Vaccinium vitis-idaea L. Проективное покрытие травянокустарникового яруса составляет 50 %. Следы от низового пожара сохранились на стволах валежа (погибшие и выпавшие из древостоя деревья) в виде крупных углей на поверхности и в грубогумусовом горизонте почвы, отсутствии моховолишайникового покрова.

Пробная площадь № 3 представлена старой гарью, которая расположена в богато-разнотравном сообществе березово-соснового леса. Состав древостоя — 4С6Б. Крутизна склона — 6–7 °. Возраст гари более 15 лет. На этом участке отмечен сильный вывал старых обгоревших деревьев. Подрост сосны 10–12-летнего возраста. В травяно-кустарничковом ярусе произрастают Chamerion angustifolium (L.) Holub, Bromus inermis (Leysser) Holub, Phlomis tuberosa L., Aster alpinus L., Vicia cracca L., Potentilla tanacetifolia Willd. Ex Schlecht, Iris ruthenica Ker-Gawler, Dendranthema zawadskii subsp. peliolepsis (Trautv.) Boldyreva, Artemisia gmelinii Web. Ex Stechm., Calamagrostis epigeios (L.) Roth, Cotoneaster melano-carpus Fischer ex Blytt, Rosa acicularis Lindley. Проективное покрытие травянокустарникового яруса составляет около 90 %. Признаки пожара на этом участке проявляются в большом проценте гибели деревьев (наличие валежа различной степени разложения), многочисленных углей в растительном опаде, отсутствии мохово-лишайникового покрова.

На пробных площадях заложены почвенные разрезы, в которых исследовали морфологическое строение профилей постпирогенных почв, а также определяли их водопроницаемость почв методом трубок. В лабораторных условиях традиционными методами исследовали водно-физические и физико-химические свойства верхних гумусово-аккумулятивных горизонтов почв. Определены гигроскопическая влажность, плотность сложения и плотность твердой фазы, водопроницаемость, а также содержание илистых частиц [Вадюнина, Корчагина, 1986]. Физикохимические свойства почв — кислотность, содержание углерода органических соединений, обменных оснований, подвижных фосфора и калия, а также значение CO2 карбонатов устанавливались по методикам [Воробьева, 2006; Теории и методы... 2007]. Названия почв даны по Классификации и диагностике почв России [2004]. Латинские названия растений приведены согласно Определителю растений Бурятии [2001].

Результаты и их обсуждение

В почвенном покрове исследуемой территории представлены литоземы серогумусовые, которые формируются на щебнистых элювиально-делювиальных плотных силикатных породах. В верхней части профиля выделяется органогенный горизонт (O) мощностью до 5 см, состоящий из опада трав, веток, шишек, коры, листьев и хвои. Далее следует гумусово-аккумулятивный серовато-бурый супесчаный/легкосуглинистый горизонт (AY) мощностью до 11 см, характеризующийся мелкокомковатой структурой и включениями щебня, корней деревьев и трав. Ниже следует более плотный из-за сильной щебнистости буровато-желтый супесчаный/легкосуглинистый горизонт (С) (иногда при неясной границе он выделяется как переходный AYC), характеризующийся мелкокомковатой структурой с признаками ореховатости и включающий мелкие корни. Этот горизонт сменяется буровато-желтой еще более плотной щебнистой материнской породой. Общая формула строения профиля почв: O–AY–C–M.

Температурное воздействие на литоземы серогумусовые привело к формированию в профиле пирогенных аналогов подстилки (Opir) и органо-аккумулятивного горизонта (AYpir), в морфологии которых в первый послепожарный год установлено их более темное окрашивание продуктами горения, наличие большого количества углей, затечная граница перехода в гумусовый горизонт и его большая уплотненность.

В почвах исследуемых участков гарей выявлены различия в водно-физических и физико-химических свойствах, роль которых очень важна в восстановлении растительного покрова после пирогенного воздействия. Так, на 1-летней гари отмечено заметное увеличение содержания илистых частиц в гумусовом горизонте почвы, что обусловлено термическим разрушением крупных фракций гранулометрического состава (табл. 1).

Физические свойства AY горизонта в литоземах серогумусовых (средние значения)

Таблица 1

Номер пробной площади	s о Й К Д VO	W Д о § ч о л н о о к н о ч к	ЭК о д Рч о и н 3 Д СО Н ей g ^ К н ч К	В о о н и о	Д' д н ей О о д О	W ей й	Коэффициент фильтрации, К ф, мм/мин
		г/см3		%
1	4/5–16	1,37	2,63	47	18,52	1,42	3,57
2	4–13	1,25	2,58	51	15,62	1,55	5,75
3	5–14	1,22	2,57	53	14,71	1,60	7,21

Обеднение этой фракцией почв на старых гарях может быть обусловлено частичным сносом мелкозема вниз по склону.

Выявленная низкая водопроницаемость в почве на 1-летней гари является результатом уплотнения горизонта (AY) сразу после воздействия огня средней интенсивности. Высокие показатели плотности сложения и плотности твердой фазы соответствуют уменьшению значения общего объема порового пространства в почвах. В связи с этим фильтрация воды в глубь почвы и ее аккумуляция в верхнем слое снижается, создаются неблагоприятные условия, связанные с недостатком влаги, для восстановления древесной растительности на гарях, особенно для прорастания семян. Последнее подтверждается слабым возобновлением и снижением в подросте экземпляров сосны на исследуемых участках.

Анализ показателей химических свойств верхних горизонтов почв выявил нейтральную реакцию среды на старых гарях и их подщелачивание в первый год после пирогенного воздействия (табл. 2).

Таблица 2

Химические свойства AY горизонта в литоземах (средние значения)

Номер пробной площади	Глубина, см	pHн 2 о	С орг. , %	Обменные основания (Ca2++Mg2+), cmol/kg	Подвижные по Мачигину, мг/100 г почвы		СО 2 , %
					P 2 O 5	K 2 O
1	4/5–16	6,9	1,13	22,2	22,2	12,0	0,28
2	4–13	6,6	1,45	21,5	15,2	11,0	0,11
3	5–14	6,5	1,84	18,7	13,0	9,6	0,09

Содержание углерода органических соединений в почвах отражает его заметную потерю на молодой гари, связанную с высокотемпературным сгоранием органики, и дальнейший рост на старых гарях. Послепожарная динамика показателей суммы обменных оснований, подвижных фосфора и калия в серогумусовом горизонте прослеживает их заметное увеличение после недавнего воздействия огня и постепенное снижение спустя 10 и более лет. На 1-летней гари отмечен рост содержания CO2, на старых – оно постепенно снижается. Это обусловлено образованием карбонатов кальция в результате пиролиза растительности и их дальнейшим выносом вниз по профилю почв. Послепожарное уменьшение содержания доступных для растений форм фосфора и калия спустя длительный период времени обусловлено как их возможной аккумуляцией корнями травянистой растительности, так и потерей в результате послепожарного смыва мелкозема в условиях увеличения высотного градиента горной местности [Kumar et al., 2013].

Установлено, что на гарях, образованных низовыми пожарами средней интенсивности в верхних частях склонов, в послепожарный период сравнительно хорошо восстанавливался травяно-кустарничковый ярус. Выявлено, что спустя 10 лет после пожара на месте погибшего древостоя был обнаружен подрост сосны и березы 7–9-летнего возраста, а на гари, где последний пожар был более 15 лет назад, — подрост сосны в возрасте 10–12 лет (табл. 3).

Таблица 3

Характеристика естественного возобновления на пробных площадях

Номер пробной площади	Лесовозобновление, шт/га
	Подрост сосны	Подрост березы
1	не обнаружено	не обнаружено
2	95	70
3	115	не обнаружено

Тем не менее представленные участки гарей характеризуются неудовлетворительным естественным возобновлением древесных пород, где количество жизнеспособного подроста не превышало 0,17 тыс. шт/га. Проективное покрытие травяного покрова сразу после пожара составляет не более 20–25 %. Это обусловлено ухудшением воздухо- и водопроницаемости в верхних гумусово-аккумулятивных горизонтах в первые годы после прохождения огня, недостатком продуктивной для растений влаги в почвах и снижением питательных элементов в связи с активизацией денудационных процессов на горных склонах в постпирогенный период.

Заключение

Литоземы серогумусовые в лесостепном поясе хребта Станичный (Западное Забайкалье) подвергаются заметной трансформации под влиянием низовых пожаров. Об этом свидетельствуют изменения в их морфологическом строении, водно-физических и физико-химических свойствах.

Формирование послепожарного опада с большим содержанием углей на поверхности серогумусового горизонта почвы вызывало ухудшение его воднофизических и физических свойств в первый год после влияния огня. Установлено, что пирогенное воздействие, обусловленное пожарами средней силы, в условиях приуроченности почв к верхним позициям склонов приводило к частичной потере органического вещества и дальнейшему выносу питательных веществ из верхних горизонтов в результате имеющих место денудационных процессов на склонах.

Низовые пожары средней интенсивности в условиях Западного Забайкалья приводят к неудовлетворительному возобновлению древесных пород на гарях, уменьшают лесистость «сложных» в пирологическом аспекте территорий и в целом приводят к локальному обезлесению в регионе.