Известия РАН. Серия географическая, 2020, T. 84, № 4, стр. 541-550

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ

Информационной основой исследования стали данные микроклиматического блока системы комплексного послепожарного мониторинга, заложенной на участке “Буртинская степь” заповедника “Оренбургский” после пожара [4]. Формирование системы мониторинга было осуществлено при поддержке программы ПРООН/ГЭФ “Совершенствование системы и механизмов управления ООПТ в степном биоме России”. Заповедный участок “Буртинская степь” занимает 45 км², охватывая приводораздельное пространство, ограниченное долинами р. Урал и его притоков (рр. Буртя и Бурля). Отсутствие непреодолимых природных и антропогенных рубежей в сочетании с широким распространением малоиспользуемых степных угодий способствовало формированию обстановки, благоприятной для возникновения и обширного распространения пожаров.

Микроклиматические наблюдения проводились на площадках, располагающихся на границе гари, возникшей в результате пожара 31.07.2014 г. и охватившей различные элементы ландшафтной структуры Буртинской степи. Каждая из площадок состоит из пары точек, находящихся на смежных горевших и негоревших (контрольных) участках. В этих точках производились наблюдения: а) мощность снежного покрова (выполнялись егерями заповедника по снегомерным рейкам); б) температура на отметках от поверхности (–30 см), на поверхности (0 см) и над поверхностью (+50 см) – автономные регистраторы температуры (логгеры ТР-2), периодичность измерений – 24 раза в сутки; в) относительная влажность на отметках аналогичных при измерении температуры (логгеры температуры и влажности ТРВ-2), периодичность измерений – 12 раз в сутки.

Сформированная база данных охватывает период инструментальных наблюдений с 08.12.2014 г. по 20.10.2018 г. (дата последнего извлечения информации). С учетом выхода из строя некоторых регистраторов и их неполной комплектности по высотным уровням, у нас имелась возможность анализа данных в среднем по 3–5 парам наблюдений за год. На основе полученных данных ниже приведен анализ различий в микроклиматических показателях между смежными – горелыми и негорелыми – степными участками. Установленная на приборах учета периодичность измерений позволяет выявить подобные различия как в фактическом исчислении (суточный ход показателей, обусловленный инсоляционными явлениями), так и в виде интерпретированных за необходимый период. Дополнительно к данным измерений глубины снежного покрова на мониторинговых площадках рассмотрены пространственные особенности его формирования и разрушения в пределах исследуемой гари на основе изображений MODIS (спутники Terra и Aqua) и Landsat.

Предварительные результаты мониторинга за первые послепожарные годы (2015–2016) свидетельствовали о существенных различиях в температуре и в условиях увлажнения естественных и горелых территорий [5]. Спустя четыре года после пожара, к осени 2018 г., бóльшая часть измерительных приборов исчерпали срок эксплуатации, различия показателей стали неявными и минимальными по разбросу. Таким образом, сформированная база данных охватывает максимально продолжительный ряд наблюдений, позволяющий выявить особенности параметров и длительности послепожарной сукцессии.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Растительный покров выполняет многие средообразующие функции – защита от экзогенных (эрозионных, дефляционных и др.) процессов, регулирование водного стока, накопление и распределение снежного покрова, терморегуляция почвенных горизонтов и др. В степных экосистемах эти функции обеспечиваются плотным травостоем из длиннокорневищных и дерновинных злаков, запасами растительной подстилки, ветоши и войлока. Следовательно, при уничтожении надземной фитомассы пожарами перечисленные функции утрачиваются и постепенно восполняются по мере восстановления растительного покрова. Так, исследования постпожарного мониторинга растительности Буртинской степи показывают на сокращение общего проективного покрытия на следующий год после пожара в 2 раза, запасов общей надземной фитомассы – в 4.0–4.4 раза, живой надземной фитомассы – в 2 раза [1].

МИКРОКЛИМАТ СТЕПНЫХ ГАРЕЙ В ХОЛОДНЫЙ ПЕРИОД

Последующий за пожаром холодный период 2014–2015 гг. отличался региональной малоснежностью. Неразвитость травяного (и местами сопутствующего кустарникового) покрова на гари ко времени формирования снежного покрова, определило фрагментарный характер распространения последнего, преимущественно на пониженных элементах рельефа. На ровных и возвышенных поверхностях, преобладающих как на рассматриваемой территории в целом, так и в сети мониторинга, снежный покров за весь холодный период 2014–2015 гг. практически полностью отсутствовал. Соответственно первый послепожарный зимний сезон наиболее отчетливо определяет роль растительности в формировании снежного покрова и теплового режима гарей (рис. 1).

Рис. 1.

Совмещенные графики температуры (минимальные суточные на отметке – 30 см) и мощности снежного покрова на естественных участках и гарях на площадке № 2.

Мощность снежного покрова: 1 – естественный участок, 2 – гарь; температура: 3 – естественный участок, 4 – гарь.

Следствием несформированного снежного покрова стало и то, что температура на горелых участках по всем площадкам была ниже, чем на участках с растительностью. На поверхности разность температур достигала 8–11 °С (в периоды заморозков), в среднем – 5.1 °С. Более существенное промерзание почвы гари фиксируется и на глубине почвенно-грунтового профиля гарей; на отметке –30 см температурные различия составляли в среднем 2.3 °С, достигая 4–6 °С. В условиях снижения мощности снежного покрова тепловой режим поверхности и почвенного профиля гарей приобретает отчетливую зависимость от атмосферной температуры, особенно в период с ноября по январь включительно. В эти месяцы при резких похолоданиях снижение температуры поверхности происходило практически одновременно, а вот на отметке –30 см минимумы значений смещены примерно на сутки. По мере промерзания почвенного профиля наблюдалась отчетливая тенденция сокращения вариации температуры на фоне достижения годового минимума к концу февраля. Относительная влажность (по данным 2-х площадок на отметке –30 см) в естественных условиях была постоянно выше, на 3.7 и на 10.6%.

Зимний период 2015–2016 гг. в Южном Предуралье отличался обилием атмосферных осадков и повышенным температурным фоном в сочетании с серией оттепелей. Подобные погодные условия и частичное восстановление растительного покрова гарей за вегетационный сезон 2015 г. определили более равномерное распределение снежного покрова (рис. 2), что не могло не способствовать выравниванию температур на мониторинговых парах. Поверхность гари в течение всего зимнего периода охлаждалaсь интенсивнее, в среднем ниже на 0.5–1 °С, а во время заморозков – до 3.5 °С. На отметке –30 см температура на гарях также была несколько меньше, в среднем за холодный период на 0.8 °С и с максимумом различий в 3.5 °С. Таким образом, несмотря на погодные различия двух холодных периодов, можно отметить факт сохранения температурных различий между горелыми и негорелыми участками степи с тенденцией их снижения. Температуры на отметке +50 см на гарях ненамного, но постоянно ниже, чем на контрольных участках (в среднем за весь период на 0.3 °С), что свидетельствует об определенном влиянии теплового режима подстилающей поверхности на приповерхностный слой воздуха. На этой же отметке в естественных условиях постоянно наблюдается превышение влажности (в среднем 0.8%) на протяжении всего холодного периода.

Рис. 2.

Разность средней высоты снежного покрова (см) между естественными и горелыми участками за периоды устойчивого залегания снежного покрова 2014–2018 гг.

Зимний период 2016–2017 гг. по метеорологическим показателям был также относительно многоснежным, но более морозным и практически без оттепелей. На третий зимний сезон после пожара различия в температурных значениях между гарями и контрольными участками сохраняются, однако проявляются на отдельных мониторинговых площадках неодинаково. Часть площадок (№ 2, 3, 4 и 7) демонстрирует сохранение усиленного промерзания гарей как на поверхности (средняя разность 0.77 °С), так и в глубине почвенного профиля (0.46 °С). На двух других площадках (№ 5 и 6) наблюдается обратная ситуация, что можно объяснить пространственной удаленностью горелых и негорелых мониторинговых точек, а также различиями морфологии поверхности, что косвенно подтверждается минимальными температурными различиями в предшествующие зимние периоды. Различия в мощности снежного покрова отмечались, главным образом, в период его формирования (декабрь–первая половина января), позднее эти различия нивелировались в условиях многоснежной зимы.

Зимний период 2017–2018 гг. был уникальным за всю историю метеонаблюдений в регионе [7]; выпадавший снег на протяжении всей зимы неоднократно разрушался серией оттепелей и периодом сильного ветра (20–26 января), сформировавшего пыльно-снежную бурю. Эти неблагоприятные условия частично затронули и рассматриваемую территорию, высота снежного покрова и продолжительность его залегания на протяжении всей зимы были значительно ниже нормы. Вместе с тем, различия в мощности снежного покрова становятся неявными (рис. 2) при максимальной высоте 15–17 см в начале января и в марте. Температура на глубине почвенного профиля (–30 см) гарей сравнялась с естественной (площадка 7), либо (площадки 2 и 6) была выше на 0.7 °С (ноябрь–декабрь), позднее (январь–середина марта) – выше на 1.5–2.0 °С. Также в среднем на 0.15 °С выше была температура поверхности гарей (0 см), в январе различия увеличивались до 0.5–0.7 °С; при фрагментарно и недостаточно сформированном снежном покрове прослеживались выраженные суточные колебания, особенно в начале холодного периода с сериями оттепелей. Таким образом, спустя три полных вегетационных периода после пожара растительный покров восстановился до состояния, достаточного для близкого к естественному условия аккумуляции снега; при этом значения зимних температур на гарях в целом были даже несколько выше контрольных.

ОСОБЕННОСТИ МИКРОКЛИМАТА ГАРЕЙ В ТЕПЛЫЕ (БЕССНЕЖНЫЕ) ПЕРИОДЫ

В период перехода среднесуточных температур через 0°С (вторая половина марта–начало апреля) сокращенная мощность снежного покрова на гарях определяет отчетливо выраженный высокоамплитудный ход суточных температур поверхности, достигающий от 5°С в сутки (рис. 3). После таяния снежного покрова (с 20 по 26 марта на разных площадках) суточные амплитуды становятся еще более значимыми, до 10–15°С; такой разброс значений частично обеспечивается более существенным и продолжительным промерзанием почвенно-литогенного профиля. На контрольных площадках снежный покров был разрушен к 1 апреля, после этой даты и для естественных условий стала характерна выраженная суточная амплитуда температур.

Рис. 3.

Температура поверхности в переходный сезон года (площадка № 2, 11.03.–08.04.2015 г.). Пунктирная линия – контроль, сплошная – гарь.

Ход температур на отметке –30 см более плавный, чем на поверхности. Усиленное промерзание почвенно профиля гари приводит к тому, что через 0°С температура переходит лишь спустя две недели после схода снега. В естественных условиях этот переход отмечается даже раньше схода снега. После этого более высокая инсоляции гари обеспечивает преобладание температурных значений над контрольной площадкой.

Если в холодный период года микроклиматические особенности гарей обусловлены, главным образом, состоянием снежного покрова, то со времени его разрушения полностью зависят от условий инсоляции при отсутствии (либо разреженном состоянии) надземного растительного покрова. Соответственно, в тепловом режиме гарей более отчетливо проявляются последствия суточных и сезонных циклов положения Солнца с учетом региональных метеоусловий, состояния атмосферы и облачного покрова. Сведения об основных метеорологических параметрах теплых (бесснежных и безморозных) периодов 2015–2018 гг. приведены в табл. 1. Сезонное распределение среднемесячных, минимальных и максимальных температур в теплые периоды в целом однотипно. А вот показатели, косвенно характеризующие количество облачных дней, имели за рассматриваемый период однонаправленную тенденцию к почти двукратному снижению.

Микроклиматические особенностей гарей в теплый период обусловлены параметрами отражающей способности земной поверхности и растительного покрова. Растительность в состоянии постпожарной сукцессии имеет тенденцию к увеличению проективного покрытия по мере нарастания надземной фитомассы, накопления растительноых ветоши и войлока. Заметим, что в разрезе одного вегетационного сезона динамика проективного покрытия отражает не только однонаправленное нарастание фитомассы, но и может характеризоваться определенными вариациями, связанными с особенностями флористического состава степи и фенологическим состоянием ее покрова.

Естественно, что наиболее существенные различия наблюдались в первый послепожарный (2015) год. Поверхность, лишенная растительного покрова и войлока, в совокупности с остатками сгоревших дернин и золы, отличается низкой отражающей способностью, что является причиной особого термического режима гарей на протяжении всего теплого периода.

Ход температуры на поверхности (0 см) в разрезе ежечасных замеров весьма различен на различных площадках, в связи с чем были обобщены и усреднены внутрисуточные замеры за более продолжительный период (за июль) по всем мониторинговым парам, что позволило сократить неоднородность рядов данных и выявить особенности суточного режима температуры рассматриваемых пар (рис. 4). Наибольшие различия между температурой на гарях и на контрольных участках наблюдаются в период инсоляции поверхности. На гарях, как правило, в утренние часы наблюдается более быстрое прогревание поверхности от суточного минимума в 5 ч до максимума в 11–12 ч; в этот временной отрезок температуры обычно выше, чем в естественных условиях. Подъем температур к максимуму на контрольных точках более растянутый и продолжается примерно до 16–17 ч; к этому послеполуденному периоду температура здесь становится выше, чем на гарях. Температура на мониторинговых парах выравнивается ко времени захода Солнца и остается сопоставимой на протяжении всего темного периода суток. Как уже отмечалось, ход суточных температур подвержен значительным вариациям, как в пределах одной мониторинговой площадки (метеоусловия), так и между отдельными площадками, по-видимому, из-за различий в растительном покрове и морфологии поверхности.

Рис. 4.

Суточный ход разности температур поверхности контрольных и горелых участков (средние значения по всем площадкам, июль 2015 г.).

В условиях рассеянной солнечной радиации микроклиматические различия между горелыми и негорелыми участками становятся менее существенными. Таким образом, исходя из фактических погодных условий тепловой режим гарей может отличаться от исходных как в значительной мере, так и быть практически на уровне негорелых территорий.

В качестве данных о степени инсоляции в отдельные периоды могут быть использованы сведения метеорологических архивов о количестве дней с осадками и сумме осадков (табл. 1), либо ежедневные космоснимки рассматриваемой местности (архив снимков MODIS), позволяющие оценить характер и динамику развития облачности. Отметим, что для рассматриваемого региона облачные и дождливые дни наиболее часто наблюдаются в весенний и осенний периоды, когда преобладающим становится циклональный тип погоды. Летние месяцы, особенно август, отличаются безоблачной жаркой погодой, что обычно приводит к сезонному пику развития пожарных явлений.

Если различия в температуре поверхности неоднотипны, то показания на отметке –30 см демонстрируют явные и однотипные различия между гарями и контрольными точками по всем площадкам. Среднесуточная температура на гари в летний период постоянно выше на 2.5–3.5°С, а к концу лета разность снижается до 1–2°С. На этой отметке также наблюдаются суточные колебания, но они менее амплитудные и имеют обратный характер относительно температуры воздуха и поверхности – температурный максимум приходится на ночное, а местами и на предутреннее время. Повышенное прогревание почвенного профиля гарей приводит к усилению испарения почвенной влаги. Так, относительная влажность грунта на горелых участках постоянно выше на 2–3%; это превышение устанавливается в период активного нарастания температуры воздуха и снеготаяния (первая половина апреля) и отмечается на продолжении всего теплого периода.

В табл. 2 приведены среднемесячные значения температуры на разных высотных отметках, обобщенные по всем площадкам, отражающие различия между гарями и контрольными участками и временную динамику этих показателей.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты исследований подтвердили, что особенности растительного покрова гарей обусловливают формирование особых микроклиматических условий в различные сезоны года и являются существенным фактором послепожарной сукцессии. Факторами, определяющими пространственно-временную неоднородность различий теплового режима, являются условия инсоляции, связанные с “внешними” условиями (сезонное и суточное положение Солнца, метеорологические особенности отдельных сезонов и годов) и “внутренними” факторами (экспозиционная направленность склонов и угол уклона поверхности, альбедо поверхности и др.). Морфология рельефа также определяет различия в формировании (образование и разрушение) снежного покрова. Следовательно, степень различий теплового режима и условий увлажнения горелых и негорелых территорий определяется ландшафтно-типологической структурой местности. С учетом того, что выбранные мониторинговые площадки располагаются на равнинных участках, полученные результаты отражают усредненные параметры рассматриваемых различий. При этом следует также учитывать, что исследование проведено в условиях неиспользуемых угодий заповедного участка и прилегающих территорий, при которых растительность отличается повышенными параметрами надземной фитомассы и сомкнутости травостоя.

Особенностью позднелетних и осенних пожаров является отсутствие в период формирования снежного покрова надземных растительных остатков. Это является причиной значительно меньшей мощности снежного покрова на гарях, чем на контрольных площадках, вплоть до полного его отсутствия на возвышенных поверхностях и выпуклых формах рельефа. Подобные условия являются причиной более существенного охлаждения почвенного профиля, выражающегося как в глубине, так и в интенсивности промерзания. Сокращенная мощность и фрагментарность залегания снежного покрова на гарях привела к тому, что, начиная с середины марта 2015 г., постоянно в дневное время отмечались положительные температуры и активное нарастание площади открытой поверхности. На естественных участках положительные температуры на поверхности (соответствующие времени оттаивания снега) установились примерно на две недели позже. После освобождения от снега график хода температуры поверхности приобретает более выраженный суточный характер, при этом с более выраженной амплитудой (как в отрицательные, так и в положительные значения) характеризуются гари. Еще более высокие суточные амплитуды (в среднем 15–25°С, максимум до 35–50°С) наблюдаются в течение всего теплого периода.

Выявлена четкая неоднородность температур поверхности в разрезе суток и всего безморозного сезона. Поэтому одной из методологических задач стало выявление общих особенностей теплового режима гарей. В связи с этим, получение данных и формулировка выводов должны основываться на выборе наиболее достоверного источника информации. В нашем исследовании потенциально проблемным стал вопрос интерпретации результатов с учетом локального (“точечного”) характера замеров. По этой же причине сложно анализировать данные дистанционных термометров (пирометров).

В этом отношении восполнить определенный пробел пространственных и временных данных позволяет использование материалов дистанционного зондирования Земли [14, 16, 17]. Пространственное разрешение доступных снимков Landsat исключает проблему излишней детализации, при этом его вполне достаточно для выявления термических особенностей степных участков. В качестве дополнительного источника сведений о термических особенностях гарей особый интерес вызывает интерпретация данных “тепловых” каналов спутниковых изображений. Ранее [6] на основе серии снимков Landsat был проведен анализ различий температуры поверхности между горелыми и негорелыми участками Буртинской степи после пожара 2010 г. Было выявлено, что в бесснежный период гари характеризуются постоянно повышенными значениями температур, в среднем на 2–4°С. Эти различия максимальны в летний период и постепенно снижаясь, прослеживались до окончания второго вегетационного года (осень 2012 г.). Таким образом, данные дистанционного зондирования могут служить основой для изучения постпирогенных процессов с учетом ландшафтно-экотопической дифференциации территории. При этом необходимым этапом подобных исследований является натурная верификация полученных результатов.

Степные пожары оказывают на растительные сообщества как прямое, так и косвенное влияние. Собственно воздействие огня является кратковременным, в результате уничтожается (минерализуется) практически вся надземная фитомасса. При этом воздействие огня губительно, либо вызывает угнетение для одних групп видов (в первую очередь представителей древесно-кустарниковой флоры), в других случаях наоборот способствует активной вегетации в дальнейшем. Постпожарное состояние создает специфические условия для дальнейшего развития фитоценозов и отдельных групп растений. Так, более раннее освобождение от снега и прогревание поверхности в сочетании с достаточным увлажнением и отсутствием сплошного растительного покрова часто благоприятно сказывается на активном развитии весенних эфемеров и эфемероидов. Обилие тех или иных видов на первоначальных стадиях постпирогенных сукцессий может варьировать в зависимости от фенологической фазы на момент прохождения пожара, а в дальнейшем во многом лимитируется специфическими условиями развития. При этом очевидным является комплексное воздействие микроклиматических факторов, но выделение лидирующей роли в изменении растительного покрова какого-либо одного из них не представляется возможным. Явным остается факт, что особенности микроклиматических параметров гарей приводят к изменению феноритмов. В целом для степей в климаксовом состоянии пожары являются фактором стресса, приводящим к активной вегетации, цветению и плодоношению в последующие годы.

Экологические последствия прямо и косвенно отражаются на всех компонентах степных экосистем [8] и проявляются, в том числе, и через изменение микроклиматических условий. Как отмечал А.Н. Формозов еще в середине прошлого века [11], мощность и состояние снежного покрова являются одним из наиболее значимых факторов зимовки многих видов биоты. Так, для степных регионов в условиях малоснежья и глубокого промерзания почвы зимой 1935–1936 гг. автором указывалось вымерзание кубышек саранчовых, что послужило причиной снижения численности популяций различных групп и видов биоты, для которых саранчовые являются основой питания в теплый период. Этот пример показывает, насколько значимыми и долговременными могут быть экологические последствия несформированности снежного покрова – состояния, характерного для степных гарей, особенно в малоснежные годы.

В целом от общей площади природных степных подзон доля гарей в среднем составляет: северные степи – 2.5%, средние степи – 11%, южные степи – 14%, северные пустыни – 8%. В малоосвоенных сухостепных и пустынных регионах Северной Евразии (Прикаспий, Мугоджары, Приаралье) распространение пожаров не ограничено природными и антропогенными рубежами, в связи с чем площадь отдельных гарей может достигать 5–7 тыс. км². Такое обширное развитие травяных пожаров в сочетании с возросшей частотой их возникновения обусловливают повышение значимости пирогенного фактора в развитии травянистых экосистем на фоне трансформации термического режима территорий и условий их увлажнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Микроклиматические особенности травяных (степных) гарей существенно отличаются от фоновых, не затронутых огнем, участков и являются значимым и продолжительно действующим фактором их дальнейшего развития. Наиболее явными последствиями пожаров в этом случае являются: а) изменение теплового режима поверхности гарей; б) пониженная мощность снежного покрова, сокращение продолжительности его залегания и, как следствие, – усиленное промерзание грунта зимой и пониженное увлажнение в период снеготаяния; в) повышенная влажность грунта в теплый период, обусловленная подтягиванием к поверхности и испарением почвенной влаги. Эти трансформации носят комплексный характер и формируют особые условия, на фоне которых происходят постпирогенные сукцессии. По температурным показателям восстановительные процессы можно считать в целом законченными спустя четыре полных вегетационных периода.