Лесные пожары как компонент природной экодинамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лесные пожары как компонент природной экодинамики

К.Я. Кондратьев, Ал.А. Григорьев

Центр экологической безопасности РАН, г. С.-Петербург; СПб Университет, географический ф-т

Обзор проблематики лесных пожаров (имеющих главным образом природное происхождение) содержит анализ не только условий и масштабов лесных пожаров, но и их воздействий на окружающую среду, проявляющихся как изменения свойств подстилающей поверхности и процессов на уровне поверхности, а также изменений химического состава атмосферы. Особое внимание уделено проблеме влияния лесных пожаров на формирование круговорота углерода, а также роли пожаров как фактора динамики окружающей среды.

Регулярно возникающие в различных регионах земного шара лесные пожары привлекают к себе внимание как природные бедствия, приносящие серьезный экономический ущерб [1-52]. Проблема стала еще более острой по мере возрастания масштабов сжигания биомассы в низких широтах. Несомненно, недооценивается, однако, роль природно обусловленных лесных пожаров как фактора динамики экосистем. Отмеченные обстоятельства побудили уже на ранней стадии развития методов дистанционного зондирования окружающей среды начать разработку сначала самолетных, а затем спутниковых методик мониторинга лесных пожаров [5, 6]. Имея в виду, что проблематика лесных пожаров достаточно детально обсуждалась в недавних монографиях [3, 32], мы обсудили в этом обзоре лишь результаты соответствующих новейших разработок.

Лесные пожары являются не только бедствием для населения, но и важным фактором локальной, региональной и даже глобальной экодинамики, что проявляется, например, в обусловленных пожарами выбросах в атмосферу парниковых газов и аэрозоля. Согласно имеющимся оценкам, около 30 % тропосферного озона, окиси углерода и углекислого газа, содержащихся в атмосфере, обусловлено вкладом лесных пожаров. Связанные с лесными пожарами выбросы аэрозоля в атмосферу могут оказывать существенное влияние на микрофизические и оптические характеристики облачного покрова (и, следовательно, - на климат). Спутниковые наблюдения, относящиеся к Индонезии, продемонстрировали, например, что наличие связанных с продолжительными пожарами дымов в атмосфере привело к подавлению осадков, что способствовало дальнейшему развитию пожаров. В этом контексте Ji и Stocker [25] выполнили статистическую обработку данных спутника ТRММ для измерений осадков в тропиках, а также данных аппаратуры ТОМS (спектрометра для картирования общего содержания озона) об аэрозольном индексе (АИ) за период с января 1998 г. по декабрь 2001 г. с целью анализа закономерностей годового хода, внутрисезонной и межгодовой изменчивостью числа лесных пожаров на суше в глобальных масштабах. В течение рассматриваемого периода имел место очень четко выраженный годовой ход пожаров в юго-восточной Азии с максимумом в марте, а в Африке, а также в Северной и Южной Америке - в августе. Анализ данных наблюдений обнаружил также существование межгодовой изменчивости лесных пожаров в Индонезии и центральной Америке, коррелирующеи с циклом Эль Ниньо/Южное колебание (ЭНЮК) в 1998-1999 гг.

Выявляется отчетливая корреляционная связь между изменчивостью содержания аэрозоля в глобальной атмосфере и упомянутыми вариациями частоты и интенсивности лесных пожаров. Исключение составляет, однако, регион юго-западной Австралии, где интенсивные пожары, зарегистрированные по данным ТRММ, не сопровождались формированием слоев дыма (по данным ТОМS). Если исключить австралийский регион, то коэффициент корреляции между числом пожаров и АИ (по данным ТОМS), составляет 0,55. Статистический анализ данных путем расчета эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) обнаружил наличие контраста между северным и южным полушариями, а также существование межконтинентального переноса, возникшего в результате пожаров аэрозоля в Африке и Америке. Данные статистического анализа указывают на присутствие 25-60-суточных внутрисезонных вариаций, налагающихся на годовой ход числа пожаров и содержания аэрозоля. Обнаружено сходство внутрисезонной изменчивости числа пожаров и динамики осцилляции Джулиана-Маддена.

В контексте исследований роли лесных пожаров как фактора воздействия на окружающую среду большое внимание уделялось мониторингу выбросов в атмосферу различных химически и оптически активных малых газовых компонентов (МГК) в процессе пожаров.

В 1998 г. произошло выгорание бореальных лесов на обширных территориях России и Сев. Америки [26]. Согласно данныем официальной статистики, пожары охватили территорию площадью около 4,8 млн. га в бореальных лесах Сев. Америки (Канада и США) и 2,1 млн. га в России (обработка данных спутниковых наблюдений показала, что масштабы пожаров в России могли быть гораздо более значительными при пораженной пожарами территории в пределах 9,5-11,5 млн. га). Сгорание биомассы, происходящее в бореальных лесах летом в условиях сухой погоды, обусловливает выбросы в атмосферу больших количеств химически и оптически активных малых газовых компонентов, оказывающих значительное (и специфическое) влияние на химические процессы и перенос излучения в атмосфере.

Полученные ранее результаты показали, что глобальные выбросы МГК при сжигании биомассы достигают 3800-4300 ТгС/год при очень небольшом вкладе за счет пожаров в бореальных лесах (23 ТгС/год или 0,6 %). Однако оценки подобного вклада весьма противоречивы. Так, например, для выбросов окиси углерода за счет лесных пожаров в области широт больше 30° с.ш. были получены значения, равные 50 ТгС/год (~6 % от глобальных выбросов) и 121 ТгС/год. Оценки выбросов метана дали значение 0,9 ТгС/год (~3 % по отношению к глобальным выбросам метана за счет сжигания биомассы).

Kasischke и Bruhwiler [26] выполнили анализ данных наблюдений обусловленных лесными пожарами в Сев. Америке и России в 1998 г. повреждений бореальных лесов в пяти различных регионах для оценки выбросов в атмосферу углерода за счет СО₂, СО и СН₄. С этой целью были рассмотрены различные категории и уровни биомассы в рассматриваемых пяти регионах (включая болота на Дальнем Востоке России и степи в Сибири) также, как различные пропорции потребленного в процессе пожаров углерода. Заданы, кроме того, два различных соотношения вкладов горения и тления.

Обусловленные пожарами в бореальных лесах в 1998 г. выбросы МГК в атмосферу были оценены как составившие 290-383 Тг (общий углерод), 828-1105 Тг (СО₂), 88-128 Тг (СО) и 2,9-4,7 Тг (СН₄). Верхний предел указанных значений соответствует 8,9 % суммарных глобальных выбросов углерода за счет сжигания биомассы; 13,8 % глобальных выбросов СО, обусловленных лесными пожарами, и 12,4 % глобальных выбросов метана за счет пожаров. Вклад лесных пожаров в России составил 78 % по отношению к суммарным выбросам (29 % приходится на долю Сев. Америки). Принятие различных предположений относительно соотношения между ролью процессов горения и тления вызвало лишь небольшие изменения в оценках выбросов (< 4 %), хотя в двух случаях эти изменения оказались несколько более значительными (6 % и 12 %). Вклад торфяных пожаров на Дальнем Востоке России в поступление углерода в атмосферу осенью 1998 г. составлял до 40 Тг. Совместные выбросы СО, обусловленные лесными и болотными пожарами, имеют тот же уровень, что и аномально высокие выбросы, наблюдавшиеся в Пойнт Барроу (Аляска). Специального внимания заслуживает косвенное воздействие лесных пожаров на почвенное дыхание в высоких широтах, где существуют богатые углеродом почвы в зонах вечной мерзлоты. Обусловленное пожарами потепление почвы должно усилить процессы дыхания и, тем самым, способствовать интенсификации выбросов СО₂ в атмосферу на протяжении интервала времени до 10 лет после пожара.

Пожары были доминирующим фактором воздействия на канадские леса, начиная с последнего ледникового периода. Для гигантских канадских лесов пожары определяли процессы, которые имели критически важное значение для самого существования таких видов первичной лесной растительности как сосна, ель и осина и являлись важным фактором разнообразия лесных ландшафтов, оказывая влияние на энергообмен и биогеохимические круговороты. Физиогномия канадских лесов тесно связана с режимом пожаров и требует существования периодических мощных пожаров, обусловливающих замену древостоя. Режим лесных пожаров определяется их повторяемостью, масштабами, интенсивностью, сезонностью, типом. Частота пожаров в канадских лесах влияет на динамику режима жизненных циклов леса. Масштабы пожаров определяют пространственную неоднородность («пятнистость») древостоя, а также влияют на величину эффективных расстояний регенерации. Очень изменчивая (в зависимости от типов и массы древесины, топографии и метеорологических условий) интенсивность пожаров характеризует выделяемую в ходе пожаров энергию. Время года, когда происходит пожар, является ключевым фактором послепожарной сукцессионной эволюции, воздействуя на интенсивность пожара, на послепожарную структуру экосистем и ландшафтов. Тип пожара характеризуется участием в горении различных компонентов древостоя и подстилки, а также зависит от метеорологических условий. Мерой интенсивности пожара служит степень потребления древесины и органики поверхностного слоя почвы в ходе пожара.

Stocks и др. [44] обсудили результаты разработки с целью документирования данных о лесных пожарах, имея в виду обоснование большой базы данных о пожарах (LFDB), которая должна включать информацию о местоположении и масштабах пожара, его причинах и усилиях по подавлению пожара с учетом всех пожаров на площадях более 200 га в Канаде за период 1959-1997 гг. База данных LFDB включает только 3,1 % всех лесных пожаров, возникавших в Канаде за указанный период. Что касается остальных 96,9 % пожаров, то они были подавлены, будучи в размерах меньше 200 га. Подобные пожары охватывают, однако, около 97 % площади лесов, подвергшихся пожарам, и представляют большой интерес с точки зрения анализа воздействия лесных пожаров на экосистемы.

Связанное с лесными пожарами возгорание происходит в Канаде ежегодно на площади около 2 млн. га, но иногда она достигает 7 млн. га. Экозоны тайги и бореальных регионов испытали наиболее значительное воздействие лесных пожаров: ежегодно происходило выгорание примерно 0,7% залесенной территории. В условиях северной Канады доминирующей причиной пожаров были молниевые разряды, ответственные за 80 % пожаров, учитываемых в LFDB. Хотя число больших пожаров сравнительно невелико, они вносят существенный вклад в выгорание леса, особенно в условиях тайги и бореальных регионов. Сезон лесных пожаров в Канаде охватывает период с апреля по август при наиболее значительном поражении лесов, обусловленном молниями в северной Канаде, в июне и июле. Около 50 % территории в Канаде, подвергшейся пожарам, не были документированы в удовлетворительной степени из-за их удаленности. Ваза данных LFDB обновляется поэтому ежегодно и пополняется ретроспективными данными для оценки долговременных трендов.

Глобальное потепление климата привлекло внимание к возможному изменению режима молний на земном шаре как фактора пожароопасности. Согласно имевшимся ранее данным, в любой момент на Земле существует, в среднем, 1800 гроз, каждая из которых сопровождается 200 молниевыми вспышками в час (или 3,3 вспышки/мин.). Средняя глобальная частота вспышек составляет 100 вспышек/с (обработка данных различных спутниковых наблюдений привела к оценкам в пределах 22-65 вспышек/с).

Christian и др. [14] обсудили результаты наблюдений молниевых вспышек, которые были сделаны при помощи малоинерционного оптического датчика (ОТД), установленного на спутнике Мicrolab-1 (выведен в апреле 1995 г. на орбиту с углом наклона 70°). В течение года рассматриваемые спутниковые наблюдения позволяют располагать данными для каждой точки большей части земного шара более, чем 400 раз, при продолжительности каждого наблюдения, равной 2 мин. Аппаратура ОТД обеспечивает получение информации о молниевых вспышках в пределах поля зрения 1300 1300 км² как днем, так и ночью.

Статистическая обработка данных показала, что ежегодно на Земле возникает около 1,4 млрд. вспышек, что соответствует 44 ± 5 молниевым вспышкам/с (как внутриоблачным, так и между облаками и земной поверхностью). Таким образом, новые оценки дали значение, которое существенно 'ниже предложенного ранее (100 вспышек/с). Использование данных ОТД позволило построить глобальные карты частоты молниевых разрядов в разное время года. Анализ этих карт показал, что молнии возникают преимущественно над сушей, а среднее соотношение между их числом над сушей и над океаном составляет примерно 10:1. На долю полосы широт 30° с.ш. - 70° ю.ш. приходится около 78 % молний. Наиболее интенсивен круглогодичный режим молниевых разрядов в бассейне р. Конго, где средняя частота вспышек достигает (в Руанде) 80 вспышек/км² год, что соответствует условиям центральной части штата Флорида (США). Круглогодичный интенсивный режим молниевых вспышек характерен для северной части Атлантического океана, и западного региона Тихого океана, где возникает неустойчивая атмосфера под воздействием адвекции холодного воздуха над теплой поверхностью океана. Менее часто случаются молнии в восточной части тропиков тихого океана и в Индийском океане, где атмосфера является более теплой. Максимум частоты молний в северном полушарии приходится на лето, тогда как в тропиках имеет место полугодовой цикл молний.

Очень содержательная программа исследований лесных пожаров и их роли в динамике экосистем была выполнена в регионе Аляски.

Реакция бореальных экосистем на возможное в будущем потепление климата существенно определяется зависимостью динамики лесных пожаров и растительного покрова от климатических условий. Частота пожаров является важным фактором, определяющим эволюцию высокоширотных лесов на уровне экосистем. Анализ данных метеорологических наблюдений выявил наличие отчетливой связи между условиями погоды (например, - температурой воздуха и осадками), частотой и интенсивностью лесных пожаров. Следствием современного глобального потепления климата было усиление интенсивности и продолжительности пожаров.

С целью ретроспективного исследования пространственно-временной изменчивости пожаров в бореальных лесах на полуострове Кенаи и в центральном регионе Аляски выполнен анализ образцов древесного угля и пыльцы для оценки условий лесных пожаров [36]. Этот анализ показал, что за последние 1000 лет аккумуляция древесного угля в обоих рассмотренных регионах была небольшой при несколько более высоком уровне в центре Аляски, чем на полуострове Кенаи. Исключением оказался, однако, период постевропейских поселений на п-ве Кенаи, где произошло возрастание аккумуляции угля в 10 раз, что отображает вероятное увеличение числа пожаров антропогенного происхождения.

Данные за период голоцена о древесном угле и пыльце, относящиеся к оз. Дьюн (центральный регион Аляски), указывают на низкую повторяемость пожаров в период 9000-5500 гг. (до настоящего времени - ДНВ) в случае сообществ березы - белой ели - ольхи (Betula - Рiceа glauca - Аlnus), но высокую повторяемость для черной ели (Рicеа mariana) после того, как она стала доминировать позднее 5500 г. ДНВ. По-видимому, усиление пожаров произошло в результате перехода к менее устойчивым к возгоранию лесам из черной ели. За последние 5500 лет имели место два четко различающихся режима лесных пожарив. Период 500-2400 гг. ДНВ характеризовался частыми пожарами при интервале возвращения пожаров, равном 98 годам. Гораздо меньшее число пожаров (при времени возвращения, составляющем 198 лет) было типично для периода позднее 2200 г. ДНВ. К числу важных факторов природно обусловленной динамики лесных пожаров принадлежали аккумуляция древесной массы, структура и видовой состав древостоя.

Почвы бореальных лесных экосистем принадлежат к числу экосистем, обладающих наиболее высокой плотностью углерода и содержат около одной четверти - одной трети всего почвенного углерода (200-7500 ГтС). В течение последних 15000 лет наличие низкой температуры зимой, годового дефицита влаги и постоянно замерзших почв ограничивало скорость разложения органики, что обусловило накопление органического вещества на подстилающей поверхности лесов. В центральной (внутренней) части Аляски наиболее высокая скорость накопления углерода связана с древостоем черной ели, характерными особенностями которой является низкая продуктивность и замедленная скорость круговоротов биогенов. Сочетание низкой температуры, насыщенных влагой поверхностных горизонтов почвы и низкое качество подстилки приводит к ограничению разложения органического вещества, содержащегося в подстилке и мхе, что определяет интенсивное накопление углерода и биогенов в слоях органики. Скорость запасания углерода в зрелой черной ели бореальных лесов Канады постигает 0,1-0,3 млн. гС/га год.

Северные почвы в лесах и болотах могут функционировать как сток углерода порядка 0,70 ГтС/год. В случае северных ландшафтов на уровне экосистем одним из главных факторов, регулирующих запасание и выбросы углерода являются лесные пожары. В дополнение к непосредственным выбросам углерода в ходе сгорания послепожарные изменения температуры и влажности почвы, а также химических процессов являются потенциальными факторами ускорения разложения органики в послепожарный период, в результате чего возникают выбросы большого количества запасенного углерода в атмосферу. Поскольку немедленного сбалансирования подобных потерь посредством усвоения углерода при образовании первичной продукции не происходит, возросшая скорость разложения обусловливает потерю углерода экосистемами в течение первого года после пожара. Однако на протяжении более длительных интервалов времени мобилизация почвенных биогенов за счет таяния вечной мерзлоты, осаждения пепла, а также изменений теплового и водного режимов почвы может обеспечить более благоприятные условия роста растений, возрастание суммарной первичной продукции (NРР) и поступление углерода к почве.

В конечном счете экологическое значение потерь углерода в процессах горения и послепожарного разложения органики зависит от масштабов времени, в течение которого сообщества растительности восстанавливаются после разрушения. Спустя годы и десятилетия после пожара происходит сбалансирование потерь и поступления углерода. На протяжении тысячелетий северные почвы достигают состояния динамического равновесия по отношению к воздействиям лесных пожаров.

На основе рассмотрения 140-летней последовательности эволюции подвергавшегося воздействию пожаров древостоя черной ели O'Neill и др. [39] получили оценки времени, в течение которого функционирует возмущающее воздействие. В зависимости от возраста древостоя поток СО₂ в атмосферу возрастал со средней скоростью от 0,12 млн. гС/га до максимального значения 22 млн. гС/год. За тоже время в горизонтах органической почвы происходило запасание углерода и азота со скоростью в пределах 0,28-0,54 млн. гС/га год и 0,0076 млн. гN/га год. Модельное рассмотрение баланса массы показало, что послепожарные изменения дыхания за счет корней и микробов определяют функционирование почв как источника углерода в течение 7-15 лет после пожаров при уровнях выбросов в атмосферу от 1,8 до 11,0 млн. гС/га (это составляет 12,4-12,6 % суммарного количества органического вещества почвы). Эти оценки определяют значения потерь углерода того же порядка величины, что и в период сгорания и свидетельствуют о том, что существующие модели могут занижать влияние лесных пожаров на выбросы углерода примерно в два раза.

Высокоширотные экосистемы занимают 22 % поверхности суши и содержат около 40 % глобального почвенного углерода, содержание которого должно быть чувствительным к изменениям климата. Среди всех биомов Земли самым крупным резервуаром углерода являются бореальные леса, бульшую часть которых «подстилает» вечная мерзлота, динамика которой определяется циклами деградации (образования термокарста) и аградации. Эти циклы находятся в тесной связи с лесными пожарами, которые представляют собой главное возмущающее воздействие для бореальных лесов. Обусловленное пожарами таяние вечной мерзлоты приводит к существенным изменениям режима температуры и влажности почвы и, соответственно, - к изменениям почвенного резервуара углерода в экосистемах бореальных лесов.

В течение 1960-х гг. воздействие пожаров на бореальные леса было более значительным, чем ранее. За последние 20 лет площадь выгоревших бореальных лесов на севере Канады возросла примерно в два раза. Одновременно произошло повышение температуры подстилающей поверхности в бореальных и арктических регионах Аляски за прошедшее столетие в пределах 2°-4°С (в том числе - на 1°-2°С за последние десятилетия). Потепление климата, происшедшее на Аляске за последние десятилетия, является составной частью потепления, наблюдавшегося на всем северо-западе Сев. Америки. В настоящее время на Аляске имеет место также прогревание вечной мерзлоты.

Некоторые данные указывают на то, что причиной тренда потепления климата в Сев. Америке могли быть природно обусловленные лесные пожары, хотя существует, конечно, и обратная зависимость режима лесных пожаров от климатических условий. Оценки показали, что глобальное потепление климата, которое может возникнуть при удвоении концентрации СО₂ способно привести к возрастанию площади выгоревших бореальных лесов на 40 %. В свою очередь изменение режима пожаров в бореальных лесах влияет на формирование глобального круговорота углерода, изменяя пространственную структуру и режим функционирования бореальных экосистем. Для оценки влияния обусловленных лесными пожарами возмущающих воздействий на круговорот углерода необходимо использование крупномасштабных моделей биосферы суши с учетом процессов, определяющих режим температуры и влажности почвы, а также гидрологическую и биогеохимическую динамику экосистем бореальных лесов.

Zhuang и др. [52] описали и применили подобную модель, способную воспроизводить упомянутые и другие процессы с целью анализа зависимости бюджетов углерода бореальных лесов от изменений концентрации СО₂ в атмосфере, характеристик климата и лесных пожаров. Способность модели адекватно воспроизводить главные закономерности формирования первичной продукции и дыхание экосистем была проверена путем сравнения с данными наблюдений для экосистемы зрелой черной ели в Канаде, а рассчитанное изменение со временем содержания углерода в растительности - с данными инвентаризации роста лесов из черной ели на Аляске.

Рассматриваемая модель использована для воспроизведения послепожарной последовательности изменения окружающей среды со временем в центральной части Аляски. Сравнение с результатами измерений температуры показало, что модель адекватно воспроизводит среднемесячную температуру почвы на глубине 10 см в течение всего сезона вегетации (с мая до октября) 1997 г. (коэффициент корреляции R > 0,93) как на контрольном, так и поврежденном пожаром участках. Высокая корреляция (R = 0,84 и 0,74 для контрольного и поврежденного участков, соответственно) имеет место и в случае данных о дыхании почвы. Хорошо коррелируют рассчитанные изменения со временем температуры и содержания углерода в почве в масштабах времени от десятилетия до столетия (коэффициент корреляции R = 0,93 и 0,71 для температуры почвы на глубине 20 см и 100 см; R = 0,95 и 0,91 для дыхания почвы и содержания углерода, соответственно). Численное моделирование показало, что заметное влияние на чувствительность динамики углерода к возмущающим воздействиям оказывают и некоторые другие факторы, кроме упомянутых. К числу подобных факторов принадлежит фиксация азота, рост мха, изменения глубины слоя органики, дренаж почвы и интенсивность лесных пожаров.

На долю бореальных лесов приходится около одной трети углерода всех континентальных экосистем. При этом высокоширотные экосистемы особенно чувствительны к изменениям климата, которые могут быть обусловлены вариациями огромных резервуаров углерода, заключенных в почвах северных широт, важная особенность которых состоит в наличии вечной мерзлоты. Северные бореальные леса, составляющие около 35 % всех лесов земного шара, содержат примерно 66 % глобального резервуара почвенного углерода. Поскольку бореальные леса поглощают углекислый газ, находящийся в атмосфере и характеризуются медленным разложением подложки, они функционируют как стоки углерода. Главным возмущающим воздействием для бореальных лесов являются пожары, возникновение которых существенно зависит от условий климата. Поэтому изменения климата влекут за собой изменения режима лесных пожаров.

В условиях пожаров в атмосферу выбрасывается значительное количество СО₂ и других малых газовых компонентов (МГК), включая парниковые газы (ПГ). Таким образом, регионы лесных пожаров оказываются источниками углерода. С целью анализа влияния лесных пожаров на выбросы и резервуары ПГ на территории исследовательской станции Caribou-Poker Creek Research (СРСRW), расположенной в центральной части Аляски, в течение летних сезонов 1998, 1999 и 2000 гг. были выполнены измерения потоков СО₂, СН₄ и N₂O до и после лесных пожаров. На типичном участке бореалъного леса осуществлены специальные эксперименты по горению леса в рамках программы FROSTFIRE в период 2-15 июля 1999 г. Анализ полученных результатов показал, что следствием лесных пожаров было уменьшение выбросов СО₂ и N₂O почвами, достигавшее 50 % [27]. Поток СН₄, напротив, возрастал в пределах 7-142 %, что отображало ту роль, которую лесные пожары играют в ускорении таяния замерзшей почвы и в последующем выбросе метана вечной мерзлотой. После пожара в почве происходило окисление большей части СН₄, но некоторая часть СН₄ выбрасывалась почвой в атмосферу, когда происходило максимальное таяние вечной мерзлоты в августе 1999 г. и в сентябре 2000 г.

Высокой экспоненциальной корреляцией характеризуется соотношение между потоками МГК и температурой почвы до и после пожара, что свидетельствует о важной роли температуры почвы как фактора, определяющего потоки МГК от почв бореальных лесов. Помимо этого, повышение температуры почвы после пожара может обусловливать усиление диффузии CO₂, СН₄ и N₂О между лесными почвами и атмосферой за счет интенсификации микробной активности, а также возрастание потоков МГК в почвах на участках сгоревшей черной ели.

Для оценки влияния подстилки из мха и лишайника на древостой черной ели Kim и Tanaka [27] сделали измерения их суммарного дыхания в лабораторной камере при наличии и без освещения. Измеренное суммарное дыхание для условий после пожара составляет 42-58 % по отношению к дыханию до пожара. Поэтому обусловленное мхом и лишайником суммарное дыхание ответственно за примерно половину суммарных выбросов СО₂ почвами. Максимальный уровень потока углерода за счет дыхания, обусловленного покровом мха и лишайника на поверхности в еловом лесу центральной Аляски, достигал 0,018 ± 0,009 ГтС/год, т.е. был существенным источником СО₂ для атмосферы в бореальиих лесах. Дыхание почвы после искусственного пожара можно объяснить только вкладом за счет корней и микробов. Оценки микробного дыхания после пожара привели к значениям, которые почти в три раза превосходят рассчитанные для условий до пожара. Подобный результат свидетельствует о том, что послепожарные условия могут стимулировать микробное дыхание за счет более высокой концентрации биогенов и субстрата в остающихся почвах, а также в результате повышения температуры почвы. Величина микробного дыхания на участках сгоревшей черной ели может быть оценена как равная 14,7 тонн С/га на протяжении 10 лет после пожара. Это указывает на то, что микробное дыхание на участках сгоревшего елового леса в центральной части Аляски является главным источником поступления СО₂ из почвы в атмосферу.

Бореальные леса представляют собой второй по важности биом на Земле, что определяет их ключевую роль в формировании динамики глобальной окружающей среды, в том числе - климата. На основе численного моделирования ранее было проанализировано воздействие на климат изменений протяженности бореальных лесов, обусловленных потеплением климата в высоких широтах, но не уделялось внимания изменениям пространственной структуры энергообмена в экосистемах бореальных лесов. Как показали многие разработки, потепление климата ведет к повышению вероятности лесных пожаров. В этой связи не были, однако, изучены климатические последствия обусловленных пожарами изменений характеристик поверхности суши. Между тем, пожары порождают изменения различных характеристик экосистем, которые могут оказывать, существенное влияние на энергообмен между подстилающей поверхностью и атмосферой. Происходит, например, спад альбедо поверхности, а потеря растительности ведет к уменьшению эвапотранспирации. Оба эти изменения обусловливают возрастание температуры поверхности и потока явного тепла (турбулентного теплообмена). Следствием потери деревьев оказывается уменьшение шероховатости подстилающей поверхности, а результатом повышения температуры - рост теплового излучения поверхности.

В связи с отмеченными обстоятельствами Chambers и Chapin [12] осуществили градиентные микрометеорологические наблюдения (при помощи установленной на мачтах аппаратуры) летом, при отсутствии осадков, на шести участках выгоревшего леса (черной ели), где с момента пожара прошло от 0 до 14 лет. Обработка подученных результатов показала, что в результате пожара происходило первоначальное уменьшение минимального альбедо с 0,09 до 0,06, вслед за которым наступал быстрый рост альбедо до 0,135, обусловленный сукцессионным развитием растительности. В условиях ясного неба, в околополуденные часы совместное влияние повышения температуры подстилающей поверхности и изменения структуры древостоя обусловливает уменьшение радиационного баланса поверхности примерно на 9,3 % (около 70 Вт/м²) в течение первых 10 лет после начала сукцессии. Спад среднесуточного радиационного баланса составлял 5,5 %. В околополуденное время поток тепла в почву удваивался по сравнению с измеренным на соседнем неповрежденном пожаром участке леса, хотя среднесуточное возрастание было существенным только в течение первых нескольких лет после пожара.

Вызванное лесным пожаром уменьшение радиационного баланса, усиление поступления тепла в почву и снижение отношения Боуэна, происходившие в течение первого десятилетия сукцессии, могли порождать спад турбулентного потока тепла в полдень до 80 Вт/м² по сравнению с условиями неповрежденного древостоя. Контраст в потоках явного тепла и шероховатости на границах неповрежденного и пострадавшего от пожара леса мог индуцировать связанную с этим мезомасштабную циркуляцию и вызывать усиление конвекции. Поскольку размеры площади выгоревшего леса часто превосходят 10⁴ га, следствием пожаров может быть локальное изменение климата. Учитывая многочисленность лесных пожаров в центральной части Аляски, не исключено и воздействие пожаров на климат в региональных масштабах.

Грубые лесные остатки (СWD) являются обращающей на себя внимание и важной характеристикой всех лесных экосистем - от бореальных до тропических. СWD оказывают влияние на круговороты биогенов, образование гумуса, запасание углерода, частоту возникновения лесных пожаров, круговорот воды и составляют среду обитания для гетеротрофных и автотрофных организмов. Обычно наличие мертвых деревьев и СWD не учитывается при определении бюджетов углерода, хотя за последнее время привлекла внимание важность этих резервуаров углерода как бореальных запасов углерода. Bond-Lamberty и др. [11] выполнили исследование распределения и динамики дыхания древесных остатков (WD) в условиях хронологической последовательности при пожарах в бореальном лесу, состоящем преимущественно из черной ели, в северной части провинции Манитоба (Канада). Рассматриваемая хронологическая последовательность включала семь древостоев, подвергавшихся пожару в период с 1870 г. по 1998 г. Каждый из древостоев включал отдельные хорошо и плохо дренированные участки. Целями обсуждаемой разработки были: 1) количественное описание распределения WD (с учетом диаметра остатков деревьев и класса распада); 2) прослеживание эволюции выбросов СО₂ отдельными WD и численное моделирование влияния влажности, размеров и уровня распада остатков деревьев на дыхание; 3) оценки годового дыхания WD и расчеты постоянной распада для каждого из рассмотренных участков.

Биомасса грубых древесных остатков варьировала от 1,4 до 177,6 Мг/га, как правило, убывая по мере увеличения возраста. Более сильно распавшиеся WD характеризовались значительно более высокой влажностью, более низкой плотностью и более высокой скоростью дыхания, чем менее распавшиеся WD. Уровень влажности и категория распада могли служить существенными предикторами дыхания при влажности меньше 43 %. При более высокой влажности она переставала быть существенной, но приобретал важное значение дренаж почвы древостоя: на более сухих участках происходило возрастание дыхания за счет WD. Учет года пожара не играл важной роли для оценок дыхания. Рассчитанные значения годовых выбросов углерода в зависимости от WD изменялись в пределах 0,11-1,92 МгС/га год. Значения вычисленной годовой скорости распада k изменялись в условиях рассматриваемой хронологической последовательности от 0,01 до 0,06. Это означает, что отдельная экспоненциальная модель распада не является приемлемой для всего массива рассматриваемых данных. Прямые расчеты k по данным измерений дыхания древесины могут быть полезными при анализе межгодовой изменчивости значений k.

Главный вывод состоит в том, что древесные остатки являются существенным резервуаром углерода и источником потока СО₂ для различных ландшафтов (следовательно, - как фактор годовых выбросов углерода), а скорость распада остатков зависит от дренажа грунта и от времени. Модели экосистем и бюджета углерода, в которых не учитывается наличие древесных остатков, характеризуются игнорированием существенного компонента потоков углерода, особенно в таких регионах как бореальные леса, где пожары являются регулярными.

Оценки воздействий изменения климата на связанный с динамикой экосистемы годовой куммулятивный суммарный обмен углекислым газом (NЕЕ) в северном полушарии привели к значениям порядка 1 ГтС (гигатонны углерода) или более. Согласно Третьему Отчету МГЭИК (Межправительственной группы экспертов по проблеме изменений климата), антропогенно обусловленное повышение температуры воздуха в бореальных лесах должно быть сильнее зимой, чем летом. Отсюда следует, что изменение климата окажет противоречивое влияние на NЕЕ в бореальной зоне, проявляясь, с одной стороны, в возрастании продолжительности вегетационного сезона и, следовательно, - в усилении куммулятивного фотосинтеза, а, с другой стороны (и, возможно, что это более существенно), - в смягчении зим и усилении почвенного дыхания. Последнее особенно важно, поскольку в бореальной зоне около 84 % запасов углерода сосредоточено в органическом веществе почв.

В связи с этим большую актуальность приобретают комплексные исследования влияния фотосинтеза и дыхания на углеродный бюджет экосистем, а также обусловленной динамикой климата сезонности и межгодовой изменчивости NЕЕ в бореальных лесах. Многие бореальные экосистемы являются источниками углерода зимой и стоками летом (в период вегетационного сезона). Suni и др. [45] выполнили исследование межгодовой изменчивости куммулятивного обмена СО₂ для экосистем в зависимости от вариаций климата на примере пяти вегетационных сезонов. Прямые (флуктуационные) измерения потока СО₂ производились в период с апреля 1996 г. по апрель 2001 г. в сосновом лесу (Scots pine) на юге Финляндии. Наиболее репрезентативным индикатором начала сезона роста экосистемы оказалась температура воздуха, а окончания сезона вегетации - продолжительность светового дня. Анализ результатов наблюдений показал, что лес служит стоком углерода при наличии лишь слабой межгодовой изменчивости. Уровень усвоения углерода в течение четырех сезонов вегетации изменялся на 80 гС/м², варьируя от 230 до 310 гС/м². Оценки выбросов углерода зимой привели к значениям от 60 до 90 гС/м². Межгодовая изменчивость сезонного обмена углеродом (весна, лето, осень) составляла от 30 гС/м² осенью и весной и до 80 гС/м² летом. Учет вариаций метеорологических параметров позволил лишь частично объяснить изменчивость куммулятивных значений NЕЕ для различного времени года и для сезона вегетации. Значительный вклад как дневных, так и ночных потоков СO₂ в формирование обмена углеродом отображает значимое воздействие на формирование NЕЕ как фотосинтеза, так и дыхания. Полученные результаты свидетельствуют, в целом, о сложности взаимосвязи между климатом и NЕЕ.

Предполагается, что бореальные леса являются регионом стока углерода. Однако следствием характерных для них пожаров может оказаться трансформация бореальных лесов в источники С за счет прямых выбросов С при сгорании биомассы и косвенных воздействий пожаров на тепловой и водный режим, а также на структуру и функционирование экосистем. За последние несколько десятилетий частота пожаров в бореальных лесах возросла и может еще более увеличиться в условиях продолжающегося глобального потепления климата. Это должно привести к сокращению времени восстановления экосистем в периоды между пожарами, а также к усилению выбросов в атмосферу парниковых газов. Поток СО₂ от поверхности грунта (R_s) является вторым по важности потоком углерода в бореальных лесах, что определяет его роль в формировании глобального круговорота углерода. Величина R_s изменяется под влиянием различных процессов: 1) возникновение пожаров приводит к частичной ликвидации растительного покрова и к понижению альбедо поверхности почвы (последнее обусловливает повышение температуры поверхности и усиление скорости разложения остатков растительности); 2) пожар прерывает процесс накопления органического вещества почвы и изменяет баланс между поступлением детрита и гетеротрофным дыханием (в результате поступления большого количества детрита); 3) пожар порождает изменения сукцессии растительности и состава ее видов, а также качества подстилки.

С целью лучшего понимания воздействия лесных пожаров на круговорот углерода в бореальных лесах Wang и др. [47] выполнили измерения и численное моделирование R_s для черной ели (Picea mariana) на примере послепожарной хронологической последовательности для серии семи лесных пожаров на севере провинции Манитоба (Канада) в условиях хорошего и плохого дренажа грунта. Задачи исследований состоял в том, чтобы: 1) количественно охарактеризовать зависимость R_s от температуры почвы для лесов различного возраста; 2) изучить послепожарную сукцессионную динамику древостоев; 3) оценить годовой поток СO₂ от поверхности почвы. Поток СО₂ сильно зависел от условий дренажа и возраста древостоя. Имела место положительная корреляция потока СО₂ с температурой почвы (R_s = 0,78), причем результаты численного моделирования потока сильно различались в зависимости от сочетания уровня дренажа и возраста древостоя.

В период сезона вегетации поток СO₂ от хорошо дренированного грунта был значительно больше, чем от плохо дренированного грунта. Средние годовые значения потока СO₂ от почвы в различные годы составили: 226 (1998 г.); 412 (1995 г.); 357 (1989 г.); 413 (1981 г.); 350 (1964 г.); 274 (1930 г.) и 244 гС/м² год (1870 г.) в условиях хорошо дренированных грунтов и, соответственно, - 146, 380, 300, 303, 256, 233 и 264гС/м² год в случае плохо дренированных грунтов. В зимнее время года (с 1 ноября до 30 апреля) значения потока СO₂ варьировали в пределах 5-19 % по отношению к годовому потоку. По-видимому, уменьшение потока на участках, недавно подвергшихся пожару, было обусловлено главным образом уменьшением уровня дыхания за счет корней деревьев. На протяжении всей рассмотренной хронологической последовательности пожаров произошли изменения потока СO₂ от почвы примерно в два раза при достижении максимальных значений до смыкания зон деревьев, когда почва была наиболее теплой и происходило накопление как надземной, так и подповерхностной биомассы. Наблюдаемый спад потока СО₂ в случае более старых древостоев можно объяснить более низкой температурой почвы, что обусловлено накоплением теплоизолирующего органического вещества и другими факторами.

Бореальные леса занимают территорию площадью около 14 млн. км² в циркумполярной полосе широт 50°-70° с.ш., что составляет примерно 10 % всей глобальной поверхности суши. Эти леса содержат непропорционально большое количество почвенного углерода, благодаря климатическим условиям, которые неблагоприятны для процессов разложения органики. Среднегодовая температура в бореальных лесах близка к 0 °С при слабом дренаже почвы, обусловленном доминированием низменностей. Характерными особенностями рассматриваемой полосы широт являются широко распространенная вечная мерзлота и изолированность глубоких почвенных горизонтов от летнего прогревания, обусловленная наличием мхов и тонких корней («мелкого» углерода), которые сгорают при лесных пожарах, но восстанавливаются в последующие десятилетия. Подобная теплоизоляция способствует сохранению вечной мерзлоты, что осложняет дренаж грунта и замедляет процессы разложения органического вещества, запасенного в глубоких слоях грунта под слоем мха. Измеренная в июле и августе 1996 г. интенсификация дыхания за счет глубоких слоев достигала примерно 10 кгС/га сутки. Подобное усиление дыхания коррелировало с повышением температуры глубоких слоев. Таким образом, органическое вещество глубоких слоев грунта характеризуется лабильностью при связанной с низкой температурой малой скорости разложения.

В связи с отмеченными обстоятельствами Hirsch и др. [23] проанализировали полученную на сети автоматизированных измерений информацию об изотопном составе продуктов дыхания почвы. Полученные результаты подтверждают предположение о том, что обусловленное глубокими слоями грунта дыхание на участке леса из черной ели, использованном в рамках программы ВОRЕАS, чувствительно к процессу таяния почвы и большая часть потока СО₂ связана с разложением старого органического вещества, но не просто с дыханием корней. В течение лета 1999 г. дыхание глубоких слоев грунта характеризовалось линейной зависимостью от температуры на глубине 50 см при наклоне, равном 0,2 кгС/га сутки °С. Позднее доминирующее влияние на дыхание оказывало разложение старого органического вещества грунта, образовавшегося из атмосферного СО₂ столетия тому назад.

Надежные измерения обмена СО₂ между различными экосистемами суши и атмосферой сохраняют высокий уровень приоритетности, ввиду большого внимания к СО₂ как к парниковому газу в контексте проблемы «глобального потепления». Главное внимание уделяется в связи с этим анализу возможностей замыкания глобального баланса углерода и оценкам роли антропогенных выбросов СО₂ в формировании биогеохимических круговоротов. Подобные разработки ведутся, в частности, в рамках таких международных программ как АmeriFlux (Сев.Америка), СаrboEurope и FLUXNET, причем главную роль в осуществлении данных наблюдений играет использование устанавливаемой на мачтах и самолетах аппаратуры для прямых (корреляционных) измерений потока СО₂, а также измерений в лабораторных кюветах и камерах (в последнем случае исследуется газообмен для различных элементов растений (листья, стебли, ветви) и растений в целом).

Smith и др. [42] обсудили результаты количественных сравнений измеренных значений потока СО₂ в пространственных масштабах от ветви и сообщества до обширных участков растительности (данные наблюдений на башне и с самолета). При этом главное внимание было уделено обеспечению сравнимости данных при минимальности выборок в случае локальных измерений. Влияние временнуй неоднородности учитывалось путем использования повторных наблюдений в идентичные дни через двухчасовые промежутки времени с высокими и низкими значениями потоков СО₂ (на разных стадиях вегетационного сезона). Измерения потоков СО₂ (мкмолей/м² с) в условиях высокогорной экосистемы степной полыни в юго-восточной части штата Вайоминг (США) выполнены с использованием четырех методик: кюветы (измерения, относящиеся к отдельному листу), камеры (данные для сообщества растительности), башня и самолет (в последних двух случаях сделаны корреляционные прямые измерения). На участке интенсивных измерений и вдоль траектории самолета определялись однородность видового состава растений, плотность растительности и площадь листьев на единицу площади подстилающей поверхности, а также топографическая изменчивость.

Сравнения потоков СО₂ производились в дни с относительно высокой и низкой влажностью почвы. В совпадающие дни расхождение между потоками СО₂, определенными с применением четырех методик (4,0-4,6 мкмолей/м² с) за одинаковые промежутки времени (09-11 час), изменялось в пределах ±9 % (при максимальном расхождении, равном 23 %). Данные наземных измерений в пределах временнуго различия ±1 суток по отношению к самолетным данным отличались в пределах от ±7 % (минимально) до ±38 % (максимально). При двухнедельном сдвиге по времени соответствующие различия возрастали до ±31 % (±38 %). Таким образом, в почти идеальных топографических условиях и при однородном растительном покрове временнбя неоднородность данных измерений, составляющая всего несколько дней, обусловливает различия измеренных потоков СО₂, которые превосходят расхождения данных, полученных с использованием четырех методик.

Для прогноза роли динамики экосистем суши в глобальных изменениях необходимо располагать информацией, в частности, о главных процессах на поверхности суши, которые влияют на формирование климата. Понимание актуальности этой задачи стимулировало разработку имитационных численных моделей с учетом соответствующих обратных связей, которые позволяют, в частности, воспроизвести влияние полей температуры и влажности на обмен малыми газовыми компонентами между подстилающей поверхностью и атмосферой с учетом изменяющихся свойств поверхности. Поскольку в разработанных до сих пор моделях не было принято во внимание такого существенного фактора как лесные пожары, Hinzman и др. [22] предприняли полевой наблюдательный эксперимент FROSTFIRE с целью проанализировать влияние метеорологических условий и особенностей растительного покрова на динамику пожара и на соответствующие обратные связи по данным искусственного лесного пожара на площади 970 га в регионе водосбора центральной части Аляски (поблизости от г. Фербенкса). Типичные особенности этого региона состоят в наличии бореальных (преимущественно еловых) лесов и «пятнистой» (прерывающейся) вечной мерзлоты. Детальное послепожарное исследование участка сгоревшего леса показало, что, в целом, динамика и последствия искусственного пожара вполне соответствовали особенностям природного лесного пожара.

Прерывающиеся зоны вечной мерзлоты принадлежат к числу регионов, которые наиболее чувствительны к глобальному потеплению климата. Эти зоны в значительной степени перекрываются с циркумполярным поясом бореальных лесов в северном полушарии. Термическое состояние вечной мерзлоты в рассматриваемых зонах очень неустойчиво, поскольку температура часто оказывается близкой к -1 °С или даже выше. Пространственное распределение вечной мерзлоты в сильной степени зависит от таких факторов как типы ландшафта, почв и растительного покрова. Наиболее важным фактором, контролирующим деградацию или развитие вечной мерзлоты, является наличие и толщина поверхностного органического слоя почвы. Если этот слой оказывается удаленным, то происходит уменьшение альбедо и возрастание теплопроводности поверхностного слоя почвы с примерно 0,2 до 1,0 Вт/м К.Лесные пожары в бореальных лесах наиболее сильно влияют на толщину органического слоя почвы. Пожары являются одним из природных компонентов динамики экосистем бореальных лесов. В течение второй половины 20-го века площадь пожаров в северо-американских бореальных лесах возросла с 1 млн. га/год (1950 г.) до почти 3 млн. га/год (2000 г.). Воздействия пожаров на лесные экосистемы проявляются как влияние на тепловой и водный балансы и вечную мерзлоту через посредство как кратковременных, так и долговременных процессов. Типичный период возвратных пожаров в бореальных лесах варьирует в пределах 29-300 лет в зависимости от условий климата и антропогенных воздействий. Что касается кратковременных процессов, связанных с влиянием пожаров на влажность и тепловой режим почвы, то они изучены сравнительно хорошо. Возникновение пожара сразу сопровождается увеличением влажности почвы за счет спада эвапотранспирации, но через два года после пожара на выгоревшей территории иногда наблюдался спад влажности почвы. Послепожарная ситуация характеризуется значительным перераспределением компонентов теплового баланса подстилающей поверхности. Это происходит, в частности, из-за уменьшения альбедо поверхности и, соответственно, - роста поглощенной коротковолновой радиации с последующим увеличением явного и скрытого потоков тепла. Все это приводит к спаду радиационного баланса, но к усилению поступления тепла в почву.

По данный наблюдений последствий лесных пожаров (в том числе двух контролируемых пожаров) в 11 пунктах, расположенных в бореальных лесах Внутренней Аляски, Yoshikawa и др. [51] проанализировали влияние пожаров на: 1) поступление к поверхности почвы тепла за счет теплопроводности и конвекции; 2) удаление мха как теплоизолирущего слоя; 3) тепловой баланс; 4) влажность почвы; 5) толщину активного слоя почвы. Перенос тепла к почве посредством теплопроводности к слою вечной мерзлоты оказался несущественным во время пожара, но сразу после пожара могло происходить возрастание теплопроводности почвы до 10 раз и спад альбедо до 50 % (в зависимости от степени выгорания поверхностного органического слоя почвы). лес пожар экология углерод