Влияние пирологических характеристик растительности Среднего Приамурья на вероятность возникновения пожаров

Пожары растительности в районах их возникновения и распространения определяют состояние нижних слоев атмосферы, почв, гидрологического режима. Они являются важным экологическим фактором образования и существования бореальных лесов; влияют на возрастную структуру, видовой состав, ландшафтное разнообразие и мозаичность растительного покрова. Опасность возникновения пожаров зависит от многих факторов: типа и свойств растительности и соответствующих им растительных горючих материалов (РГМ) как проводников горения, метеорологических показателей, рельефа, свойств подстилающей поверхности, грозовой активности и пространственного расположения антропогенных источников огня [1]. Для определения вероятности возникновения пожаров предложены эмпирические (статистические), полуэмпирические (физико–статистические) и вероятностные методы, которые отличаются набором исходных данных, принципами, схемами и моделями расчета; заблаговременностью, эффективностью и оправ-дываемостью. Некоторые из них реализованы в Европе, Америке и Австралии, например канадская CFFDRS, американская NFDRS, французская Numerical Risk, австралийская FDRS, испанская DER, итальянские IMPI и IREPI INDEX, португальская PORT, финская FFMI и др. [10]. В России разрабатываются детерминированно-вероятностные модели, в которых прогноз возникновения пожаров рассчитывается по двум составляющим:

детерминированный переход растительности в состояние «пожарной зрелости» по метеоусловиям и вероятность появления природных (молнии) и антропогенных источников огня [5]. Вероятностные члены оцениваются через частоту событий по статистическим данным за базовый период, детерминированные основаны на физических моделях низкотемпературной сушки [1]. Основная проблема состоит в расчете первой составляющей. Для этого требуется использование переменных во времени данных о физическом состоянии слоев РГМ, например теплоемкости, объемной доли сухого органического вещества. Они трудно определяются и прогнозируются даже на небольших территориях вследствие сложного состава и неоднородности пирологических свойств РГМ, поэтому примеры применения данной модели приведены для гипотетических лесных участков, или для реальных территорий, но при выделении одного типа проводника горения [2].

Охрана и воспроизводство растительных ресурсов особенно важны для районов со значительной лесистостью, в которых леса обладают значимым экономическим потенциалом. Например, площадь лесного фонда в Дальневосточном федеральном округе составляет почти 500 млн. га, или около 45% лесных земель Российской Федерации; на лесопокрытую территорию приходится 275 млн. га, 2/3 которых занято насаждениями с преобладанием хвойных пород; общий запас хвойной древесины превышает 17,5 млрд. м3, лиственной – около 2,6 млрд. м3; запас спелых и перестойных древостоев оценивается в 9,1 млрд. м3 [7]. Большая площадь лесов и огромный запас древесины на Дальнем Востоке ставит задачу их сохранения и приумножения в ряд приоритетных. Борьба с лесными пожарами занимает особое место во всем Дальневосточном регионе, но при этом следует выделить территорию Среднего Приамурья в связи тем, что здесь наблюдается самая большая плотность пожаров [12], вероятность возникновения которых зависит от внутри- и межсезонного изменения свойств растительности в условиях муссонного климата средних широт [8]. Поэтому целью работы является исследование изменения пирологических свойств растительности в течение пожароопасных сезонов на территории Среднего Приамурья (Еврейская автономная область (ЕАО)) и их влияние на вероятность возникновения пожаров.

Материалы и методики исследования Для исследования выбраны пожароопасные сезоны 2011–2015 гг.

Сформированы две базы ежедневных данных. Первая содержит фактические метеоданные 10 гидрометеостанций (ГМС), расположенных на исследуемой территории («Облучье», «Биробиджан», «Екатерино-Никольское», «Смидович», «Ленинское», «Сутур», «Кукан», «Кур», «Хабаровск», «Хорское», «Троицкое»), и прогнозные – с сайтов ГУ «Гидрометцентр России» [] и ИКИ РАН [http: // ]: дневную температуру воздуха и точки росы в 13– 15 ч местного времени, суточный объем осадков с 9 ч утра предыдущего дня до 9 ч утра текущего дня. В территорию репрезентативности ГМС включены 30-километровые зоны, зоны ответственности определены по полигонам Тиссена.

Во второй базе представлены сведения о пожарах растительности по материалам КГУ «ДВ авиабаза», ОГКУ «Лесничество ЕАО» и космоснимкам с сайтов NASA [ ] и ФБУ «Авиалесоохрана» [http://aviales. ru]. Они включают даты обнаружения и ликвидации пожаров, номера кварталов лесничеств или координаты операционных территориальных единиц (ОТЕ), тип пожара (лесной /не лесной).

Характеристика растительных формаций приведена по работе [11]. Степень пирологической устойчивости растительность определена по шкале [14].

Для пространственного анализа использованы две сети: нерегулярная квартальная сеть ОГКУ «Лесничество ЕАО» и регулярная сеть нелесного фонда с размером ячеек 2,5х2,5 км.

В зонах репрезентативности ГМС расчет ежедневных показателей пожарной опасности по условиям погоды – лесопожарного (L_i ) и комплексного ( P_i ) – производился по методу В. Нестерова [6] (уравнения 1–3):

L_i=t_i*(t_i-τ_i) (1)

P_i=L_i, при х_i ≥3 мм/сут. (2)

P_i=L_i + P_i-1, при х_i< 3 мм/сут ., (3) где t_i – дневная температура воздуха,° С; τ_i – дневная температура точки росы, ° С; x_i – суточный объем осадков, мм. Прогнозное значение лесопожарного показателя L'_i+n на i+n- ный день, где n – день прогноза, рассчитывается по корреляционным уравнениям зависимости фактических значений L_i в особо опасные «сухие» дни от дневной температуры воздуха t ° С, коэффициенты которых определены для каждого месяца пожароопасного сезона [13]. Комплексный показатель P'_i+n прогнозируется на основе разработанных нами кодов синоптических терминов интенсивности осадков ( INT ) и системы уравнений, аналогичных уравнениям (1–3), принцип использования которых показан в табл. 1 на примере трехдневного прогноза.

В зонах ответственности ГМС используются восстановленные значения показателей L_i и L'_i+n , метод интерполяции которых выбирается из группы детерминистических и геостатистических с географической привязкой по минимальному значению среднеквадратической ошибки ( RMSE_m ) и наибольшей величине коэффициента эффективности ( E_m ) при выполнении условия 0,5≤ E_m ≤1 [15, 16]. Расчет комплексного показателя P_i проводится по уравнениям 2 и 3, его прогноз P'_i+n – по уравнениям, приведенным в табл. 1. Количество осадков ( x_i ) соответствует данным ближайшей ГМС, расположенной в том же полигоне Тиссена. Класс пожарной опасности (КПО) определяется по региональной шкале [4].

Результаты и их обсуждение

Географическое положение Среднего Приамурья на стыке Евро-Азиатского материка с Тихим океаном и его форпостом в пределах Хабаровского края – Охотским морем, а также особенности муссонного климата определяют уникальное, для этой части северо-западной Пацифики, разнообразие растительного мира и богатство растительных ресурсов.

По лесорастительному районированию территория ЕАО относится к Приамурско-Приморскому хвойно-широколиственному району зоны хвойно-широколиственных лесов, по геоботанической классификации – к южной подзоне тайги и к хвойно-широколиственным лесам [9]. По ре-

Уравнения для трехдневного прогноза комплексного показателя P'

в зависимости от интенсивности и продолжительности выпадения осадков

Table 1

Equations for a three-day forecast of complex index P'_+n dependent on intensity and duration of precipitations

Термин количества и интенсивности осадков	Код ( INT )	Уравнения
Без осадков, сухая погода	1	P'i+n=L'i+n+Pi+n-1
Небольшой дождь, слабый дождь, небольшие осадки	2
Дождь, осадки, моросящий дождь, дождливая погода	3	P'i+n=(L'i+n+Pi+n-1+L'i+n)/2
Местами дожди, кратковременные дожди, местами кратковременные дожди	4	P'i+1=L'i+1 +Pi; P'i+2=L'i+2 +Pi+1 P'i+3=L'i+3
Местами дождь, кратковременный дождь, кратковременные дожди	5	P'i+1=L'i+1 +Pi; P'i+2=L'i+2 P'i+3=L'i+3
Значительный дождь, сильный дождь, очень сильный дождь (осадки), ливневый дождь	6	P'i+n=L'i+n
Местами дожди, моросящий дождь, дождливая погода	1 4	P'i+1=L'i+1 Pi P'i+2=(L'i+2+Pi+1+L'i+2)/2

Примечание: n = 1^3 - день прогноза; L,+n, P\+n- лесопожарный и комплексный показатель на г+n день прогноза, INT-код формализованного синоптического термина прогноза осадков льефу и характеру растительного покрова автономию можно разделить на две примерно равные по площади части. Западная (горная, лесная) занимает южные отроги Буреинского хребта (средняя высота 700–800 м), входящего в систему Малого Хингана. Здесь же имеются невысокие (400–500 м) хребты Сутарский, Помпевский, Щуки-Пок-той. На востоке расположена в основном безлесная Среднеамурская низменность с небольшими останцовыми возвышенностями: Ульдура, Чурки, Большой и Малый Даур и др.

Большая часть территории занята лесом (60%). Видовое богатство сосудистых растений составляет более 1400 видов. Показатель лесистости – около 45%. Запасы древесины равны 167 млн. м3. Леса третьей группы в зависимости от народнохозяйственного значения, местоположения и экологических функций составляют 61% от общей площади лесов. Эта группа имеет эксплуатационный характер и предназначена для удовлетворения потребностей лесопромышленного комплекса, не внося дисбаланс в лесную экосистему.

Для автономии характерен разнообразный растительный покров, что обусловлено горизонтальной и вертикальной зональностью, участием интразональных группировок, антропогенной деятельностью. Флора представляет собой сочетание маньчжурского, охотского, даурского и восточно-сибирского типов. Основными растительными формациями являются заросли кедрового стланика, багульников, рододендрона золотистого и других высокогорных растений, приуроченных к верхнему горному поясу; темнохвойные пихтово-еловые леса из ели аянской и пихты белокорой; лиственнично-еловые и елово-лиственничные леса гор и межгорных долин; елово-пихтовые и пихтово-еловые с кедром и широколиственными породами (неморальные ельники); белоберезовые и осиново-белоберезовые леса с хвойными, широколиственными породами и производными лесами на горных склонах; широколиственно-елово-кедровые леса или северные кедровники; широколиственные смешанные многопородные леса; леса и редколесья из дуба монгольского; мелколиственные леса и редколесья на равнинах и в долинах рек, луговая и болотная растительность [11].

Распределение растительности в соответствии с особенностями рельефа, климата, почв и гидрологических условий представлено семью геоботаническими районами (табл. 2). Раститель-

Распределение растительных формаций различной степени пирологической опасности по территории Еврейской автономной области

Distribution of plant formations with a different degree of pyrological danger on the territory of the Jewish Autonomous Region

Table 2

Основные растительные формации [11]	Степень, класс опасности	Геоботанический район [11]	Комплексный показатель, Pcr. 1
			весна и осень	лето
Не покрытые лесом площади, редины, вырубки с травяным покровом или ягелем 2	Очень высокая I	Сутарско-Помпеевский широколиственно-елово-кедровых лесов и их производных Хингано-Кульдурский мелколиственных редколесий и горных вейниковых лугов	300	750
Лиственнично-еловые и елово-лиственничные горные леса		Сутарско-Помпеевский широколиственно-елово-кедровых лесов и их производных. Верхнокаменушинский темнохвойных лесов	300	750
			350	1000
Лиственнично-еловые и елово-лиственничные горные леса		Приамурский широколиственных лесов с преобладанием дубовых	350	1200
Широколиственно-еловокедровые леса (северные кедровники)	Высокая II	Сутарско-Помпеевский широколиственно-елово-кедровых лесов и их производных	400	1400
Мелколиственные леса и редколесья на горных склонах		Хингано-Кульдурский мелколиственных редколесий и горных вейниковых лугов	420	1500
Широколиственнодубовые леса восточных и западных склонов		Приамурский широколиственных лесов с преобладанием дубовых	450	1500
Широколиственные кустарниковые леса на склонах		Сутарско-Помпеевский широколиственно-елово-кедровых лесов и их производных Приамурский широколиственных лесов с преобладанием дубовых	480	1600
Пихтово-еловые и еловопихтовые леса с кедром, широколиственными породами (неморальные ельники):	Средняя III	Верхне-Каменушинский темнохвойных лесов Сутарско-Помпеевский широколиственно-елово-кедровых лесов и их производных
зеленомошные;			650	2000
кустарничковомелкотравные зеленомошные;			700	2500
среднего горного пояса;			750	2800
Осинники и смешанные леса на северных склонах			750	3000
Лиственничники кустарничково-моховые с ерником, редколесья межгорных долин	Умеренная IV	Низинный Инно-Бирский заболоченных лесов Хингано-Кульдурский мелколиственных редколесий и горных вейниковых лугов	2000	4000
Лиственничники осоко-сфагновые, ельники сфагновые заболоченные, болота сфагновые, постоянно увлажненные	Низкая V	Низинный Инно-Бирский заболоченных лесов Низинный Урми-Амурский зарослей ерников в сочетании с болотами и мокрыми вейниково-осоковыми лугами Приамурский равнинный влажных и мокрых вейниковых лугов	5000	7000

Примечание: 1. Наименьшее значение показателя, при котором возможно возникновение пожара. 2. Участки растительности. 3. Значение комплексного показателя рассчитывается по уравнениям (1–3)

ные формации испытывают большую антропогенную нагрузку, как в результате лесозаготовок и использования недревесных ресурсов, так и вследствие ежегодных пожаров.

В северных горных районах, на отдельных наиболее высоких участках хребтов Малый Хин-ган и Помпеевский, в истоках рек Кульдур, Каме-нушка, Сагды-Бира расположены темнохвойные леса, испытывающие большое влияние пожаров. В нижних частях горных склонов, вдоль рек Амур и Бира, а также на останцовых возвышенностях и релках Среднеамурской низменности основными являются лиственные, преимущественно дубовые леса. Еловые леса сохранились только на северо-западе в пределах верховья р. Каменушка, но на большей части Буреинского хребта, где они раньше господствовали, вследствие пожаров теперь развиты заросли вейника или производные мелколиственные леса. Белоберезовые, осино-белоберезовые леса с хвойными и широколиственными породами на этих же горных склонах также возникли после пожаров. Неморальные ельники занимают значительную площадь; по условиям рельефа они разделяются на горные и горнодолинные. После пожаров вместо елово-пихтовых лесов возникает травянистая растительность или вторичные леса с господством мелколиственных пород как временно производные, но длительно существующие группировки. Широколиственно-елово-кедровые леса или северные кедровники характерны для высот 100–150 и 600–650 м. Такие крупные массивы имеются на Сутарском и Пом-пеевском хребтах, на хребте Щуки-Поктой, но в среднем течении левых притоков р. Бира они почти не сохранились из-за неправильного ведения лесозаготовок и частых пожаров.

Широколиственные леса характерны для нижнего яруса гор и повышенных участков Среднеамурской низменности. По своему составу они подразделяются на смешанные многопородные (из липы амурской и маньчжурской, клена мелколистного, дуба монгольского, ясеня) и дубовые леса. Среди дубовых лесов условия для возникновения пожаров создаются на песчаных аллювиальных почвах на равнине, на скелетных почвах низкогорий и в среднем поясе гор. Свежие дубняки с липой, кленами и другими породами на низкогорьях и влажные с лещиной и леспедецей на релках Среднеамурской низменности менее пожароопасны. Мелколиственные леса и редколесья, которые произрастают на горных склонах и возвышенных участках, иногда являются коренными насаждениями, но могут иметь вторичный характер вследствие послепожарной сукцессии в лиственничниках.

Для равнинной восточной части территории типичны осоково-разнотравно-вейниковые луга, травяные и моховые болота, которые ежегодно подвергаются воздействию сельхозпалов.

Лесной фитоценоз, являясь сложной генетически взаимосвязанной динамичной системой, состоит из древесного, подлесочного и кустарничково-травяно-мохового ярусов, а также включает в себя отпад и лесную подстилку (торф или дернину). Роль отдельных компонентов фитоценозов в возникновении и развитии лесных пожаров неравнозначна, что обусловлено различиями в их морфологическом строении, химическом составе и в других пирологических свойствах. В целом они формируют сложный комплекс (тип) РГМ, тесно сопряженный с конкретными лесными формациями, группами и типами леса [12] и погодными условиями, для характеристики которых используют показатель P. Для каждой формации наименьшее значение показателя ( Per ), при котором возможно возникновение пожара, зависит от периода пожароопасного сезона (табл. 2). Максимальная вероятность возникновения пожара возможна, если ежедневный комплексный показатель метеорологической пожарной опасности ( P ) превышает его критическое значение [14]. В зависимости от зонально-географических характеристик для каждой растительной формации и соответствующих ей РГМ существует определенное количество дней в пожароопасном сезоне, в течение которых они (РГМ) находятся в состоянии «пожарной зрелости». Например, в 2015 г. растительные формации I класса опасности могли загораться при наличии источника огня в течение 94, II класса – 69, III класса – 49, IV класса – только 20 дней при общей продолжительности сезона 214 дней (табл. 3).

Максимальное количество опасных дней для всех основных растительных формаций характерно для весеннего и осеннего периодов, минимальное – для летних месяцев, что находится в соответствии с многолетним распределением пожаров (табл. 4).

Для расчета вероятности возникновения пожаров F(C) на территории Среднего Приамурья в зависимости от пирологических свойств растительности в различных метеоусловиях использовано соотношение:

^F(C) = P' +n /P er- (4)

В зоне репрезентативности ГМС комплексный показатель P' (табл. 1) рассчитан по прогно-

Количество дней в пожароопасном сезоне на территории Среднего Приамурья, в которых возможно возгорание растительности (2015 г.)

Number of days in a fire season in the Middle Amur region, when danger of inflammation is especially strong(2015)

Table 3

Класс, степень опасности	Количество дней
	апрель		май		июнь		июль		август		сентябрь		октябрь
	А	В	А	В	А	В	А	В	А	В	А	В	А	В
I. Очень высокая	Не покрытые лесом площади, редины, вырубки с травяным покровом или ягелем
	13	6	22	10	8	4	12	6	8	4	24	11	16	7
	Лиственнично-еловые и елово-лиственничные горные леса
	11	5	21	10	6	3	8	4	6	3	24	11	14	7
	Леса и редколесья из дуба монгольского на южных склонах
	11	5	21	10	4	2	6	3	5	2	24	11	14	7
II. Высокая	Широколиственно елово-кедровые леса (северные кедровники)
	6	3	18	8	3	1	6	3	3	1	24	11	14	7
	Мелколиственные леса и редколесья на горных склонах
	6	3	17	8	3	1	5	2	2	1	23	11	14	7
	Широколиственно-дубовые леса восточных и западных склонов
	6	3	16	7	3	1	5	2	2	1	23	11	13	6
	Широколиственные кустарниковые леса на склонах
	6	3	15	7	3	1	4	2	2	1	23	11	12	6
III. Средняя	Пихтово-еловые и елово-пихтовые леса с кедром, широколиственными породами (неморальные ельники)
	ельники – зеленомошные
	4	2	14	7	2	1	2	1	0	0	21	10	10	5
	ельники кустарничково-мелкотравные зеленомошные
	3	1	14	7	1	0	0	0	0	0	20	9	9	4
	ельники среднего горного пояса
	3	1	14	7	1	0	0	0	0	0	19	9	8	4
	Осинники и смешанные леса на северных склонах
	3	1	14	7	1	0	0	0	0	0	19	9	8	4
IV. Умеренная	Лиственничники кустарничково-моховые с ерником, редколесья межгорных долин
	0	0	7	3	0	0	0	0	0	0	9	4	0	0
	Лиственничники осоко-сфагновые, ельники сфагновые заболоченные, болота сфагновые, постоянно увлажненные
V. Низкая	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

Примечание: А – количество дней; В – доля от продолжительности сезона, %

Таблица 4

Количество лесных пожаров на территории филиалов ОГБУ «Лесничество ЕАО» (2011–2015 гг.)

зным значениям лесопожарного показателя L'_i+n по корреляционным уравнениям вида

L'₁ =a*2,71^b*t+c (R ≥0,7 ), (5) где a,b,c – коэффициенты, t' – прогнозируемая температура воздуха в 13–15 ч местного времени.

Вне зон репрезентативности использованы значения L'_n+i , восстановленные методом «обратно-взвешенных расстояний», который выбран из 9-ти интерполяционных методов по минимальному значению среднеквадратической ошибки ( RMSE_m ) и наибольшей величине коэффициента эффективности ( E_m ) [3].

На примере сезонов 2011–2015 гг. показано, что достоверность прогнозов, при вероятности 0,95, рассчитанная по фактическим значениям комплексного показателя ( P_i ) на текущий день, составляет в среднем 82±3%, по прогнозным ( P'_i ) – 74±3%, и пожары могут возникнуть преимущественно в растительных формациях,

относящимихся к I–III степени пирологической опасности (табл. 5).

Таким образом, изменение пирологических характеристик растительности в течение пожароопасных сезонов в условиях муссонного климата средних широт влияет на возникновение весенних и осенних максимумов пожаров. Основным ресурсом для возгорания являются растительные горючие материалы высокой степени опасности, время нахождения которых в состоянии «пожарной» зрелости составляет примерно половину пожароопасного сезона, и которые на территории ЕАО расположены в основном в Сутарско-Помпеев-ском, Хингано-Кульдурском, Верхнокаменушин-ском и Приамурском геоботанических районах.