1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал общей биологии
  4. T. 84, № 4, 2023

Журнал общей биологии, 2023, T. 84, № 4, стр. 313-326

Влияние выжигания ветоши на альпийские пестроовсяницевые луга Северо-Западного Кавказа

В. Г. Онипченко 1, 2, 3, *, Ф. С. Бостанова 2, О. А. Токарева 4, М. И. Макаров 1, Т. Г. Елумеева 1, А. А. Ахметжанова 1, Д. К. Текеев 3, Т. И. Малышева 1, М. С. Кадулин 1

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119234 Москва, Ленинские горы, 1/12, Россия

2 Карачаево-Черкесский государственный университет им. У.Д. Алиева
369202 Карачаевск, ул. Ленина, 29, Россия

3 Тебердинский национальный парк
369210 Теберда, Бадукский пер., 1, Россия

4 Институт географии РАН
119017 Москва, Старомонетный пер., 29, Россия

* E-mail: vonipchenko@mail.ru

Поступила в редакцию 06.03.2023
После доработки 22.04.2023
Принята к публикации 01.08.2023

Аннотация

Пожары играют большую роль в формировании и функционировании наземных экосистем, но их длительное влияние на состав и структуру растительных сообществ гумидных высокогорий практически не изучено. На наиболее сухих альпийских лугах с доминированием плотнодерновинного злака Festuca varia, накапливающих значительное количество неразложившейся ветоши, проведен 23-летний эксперимент с регулярным (раз в 2 года) выжиганием ветоши. Состав растительного сообщества существенно изменился. Значительно уменьшились запасы мортмассы (ветоши), надземная биомасса сосудистых растений и относительное участие доминантов. В надземной биомассе резко снизилась доля злаков и увеличилась доля разнотравья. Для Anthemis cretica, Campanula collina, Deschampsia flexuosa, Festuca ovina, Nardus stricta и Veronica gentianoides отмечено значимое увеличение числа побегов при выжигании. Отмечено двукратное повышение альфа-разнообразия сосудистых растений на выжигаемых площадках по сравнению с исходным состоянием и значительное превышение в сравнении с контролем. Длительное выжигание существенно не изменило среднее содержание P, Ca, Mg в надземной биомассе большинства изученных видов, лишь содержание K снижалось у ряда видов, в то время как для Mg отмечено увеличение содержания у Festuca varia и Nardus stricta. Отмечено увеличение содержания P и Mg в мортмассе. При длительном выжигании отмечается небольшое подкисление почвы и снижение содержания Са, а также существенное снижение содержания азота и интенсивности процессов его трансформации. В целом, полученные закономерности сходны с таковыми, полученными при изучении пожаров в других травяных сообществах, однако снижение содержания K при хроническом выжигании ранее не отмечалось.

Список литературы

  1. Бахтиярова О.Н., 2018. Методика расчета скорости распространения пожара с учетом влияния скорости ветра и рельефа местности // Науч. и образоват. проблемы гражданской защиты. № 1 (36). С. 62–68.

  2. Буш Е.А., 1940. О результатах научных работ Юго-Осетинского горно-лугового стационара БИН АН СССР // Сов. ботаника. № 2. С. 11–29.

  3. Габбасова И.М., Гарипов Т.Т., Сулейманов Р.Р., Комиссаров М.А., Хабиров И.К. и др., 2019. Влияние низовых пожаров на свойства и эрозию лесных почв Южного Урала (Башкирский государственный природный заповедник) // Почвоведение. № 4. С. 412–421.

  4. Гогина Е.Е., 1961. К биоморфологии Festuca varia Haenke // Бот. журн. Т. 46. № 6. С. 824–841.

  5. Елумеева Т.Г., 2004. Влияние удаления доминирующих видов Festuca varia Haenke и Nargus stricta L. на состав пестроовсяниценого луга // Комплексные исследования альпийских экосистем Тебердинского заповедника / Тр. Теберд. гос. биосферного заповедника. Вып. 21. М.: б.и. С. 55–61.

  6. Елумеева Т.Г., Онипченко В.Г., 2009. Пирогенная динамика высокогорного пестроовсяницевого луга Тебердинского заповедника: многолетний эксперимент с выжиганием ветоши // Бюл. МОИП. Отд. биол. Т. 114. № 5. С. 15–20.

  7. Кандалова Г.Т., 2009. Степи Хакасии: трансформация, восстановление, перспективы использования. Новосибирск: СО РАСХН. 163 с.

  8. Онипченко В.Г., 1990. Фитомасса альпийских сообществ северо-западного Кавказа // Бюл. МОИП. Отд. биол. Т. 95. № 6. С. 52–62.

  9. Онипченко В.Г., Зернов А.С., 2022. Сосудистые растения Тебердинского национального парка (аннотированный список видов). М.: Изд. Комиссии РАН по сохранению биологического разнообразия и ИПЭЭ РАН. 177 с.

  10. Семенова-Тян-Шанская А.М., 1948. Корневые системы растений субальпийских лугов Юго-Осетии // Тр. БИН АН СССР. Сер. 3. Геоботаника. Вып. 5. С. 89–121.

  11. Сулейманова Г.Ф., 2012. Особенности восстановления после пожара популяций пиона тонколистного (Paeonia tenuifolia L.) в национальном парке “Хвалынский” // Раритеты флоры Волжского бассейна. Тез. докл. II Росс. науч. конф. г. Тольятти, 11–13 сентября 2012 г. Тольятти: “Кассандра”. С. 241–249.

  12. Уфимцев В.И., Куприянов О.А., Стрельникова Т.О., 2013. Влияние пожаров на продуктивность лесных лугов Караканского хребта // Вестн. КемГУ. Т. 1. № 4 (56). С. 8–12.

  13. Федюнькин Д.Ф., 1953. Влияние мертвых растительных остатков и степных пожаров на развитие растительности лесостепного Зауралья // Изв. Естеств.-науч. ин-та при Молотовском гос. ун-те им. А.М. Горького. Т. 13. Вып. 7. С. 621–639.

  14. Anderson T.M., Ritchie M.E., Mayemba E., Eby S., Grace J.B., McNaughton S.J., 2007a. Forage nutritive quality in the Serengeti ecosystem: The roles of fire and herbivory // Am. Nat. V. 170. № 3. P. 343–357.

  15. Anderson T.M., Ritchie M.E., McNaughton S.J., 2007b. Rainfall and soils modify plant community response to grazing in Serengeti National Park // Ecology. V. 88. № 5. P. 1191–1201.

  16. Beck E., Scheibe R., Schulze E.-D., 1986. Recovery from fire: Observations in the alpine vegetation of western Mt. Kilimanjaro (Tanzania) // Phytocoenologia. V. 14. № 1. P. 55–77.

  17. Bond W.J., 2016. Ancient grasslands at risk: Highly biodiverse tropical grasslands are at risk from forest-planting efforts // Science. V. 351. № 6269. P. 120–122.

  18. Bond W.J., Wilgen B.W., van, 1996. Fire and Plants. L.: Chapman & Hall. 253 p.

  19. Bond W.J., Woodward F.I., Midgley G.F., 2005. The global distribution of ecosystems in a world without fire // New Phytol. V. 165. № 2. P. 525–538.

  20. Brookes P.C., Landman A., Pruden G., Jenkinson D.S., 1985. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil // Soil Biol. Biochem. V. 17. № 6. P. 837–842.

  21. Butler O.M., Elser J.J., Lewis T., Mackey B., Chen C., 2018. The phosphorus-rich signature of fire in the soil-plant system: A global meta-analysis // Ecol. Lett. V. 21. № 3. P. 335–344.

  22. Butler O.M., Lewis T., Rashti M.R., Maunsell S.C., Elser J.J., Chen C., 2019. The stoichiometric legacy of fire regime regulates the roles of micro-organisms and invertebrates in decomposition // Ecology. V. 100. № 7. Art. e02732. https://doi.org/10.1002/ecy.2732

  23. Camac J.S., Williams R.J., Wahren C.-H., Hoffmann A.A., Vesk P.A., 2017. Climatic warning strengthens a positive feedback between alpine shrubs and fire // Global Change Biol. V. 23. № 8. P. 3249–3258.

  24. Collins S.L., Calabrese L.B., 2012. Effects of fire, grazing and topographic variation on vegetation structure in tallgrass prairie // J. Veg. Sci. V. 23. № 3. P. 563–575.

  25. Colombaroli D., Henne P.D., Kaltenrieder P., Gobet E., Tinner W., 2010. Species responses to fire, climate, and human impact at tree line in the Alps as evidenced by paleo-environmental records and a dynamic simulation model // J. Ecol. V. 98. № 6. P. 1346–1357.

  26. Dai W., Peng B., Liu J., Wang C., Wang X. et al., 2021. Four years of litter input manipulation changes soil microbial characteristics in a temperate mixed forest // Biogeochemistry. V. 154. № 2. P. 371–383.

  27. Deng B., Zheng L., Ma Y., Zhang L., Liu X. et al., 2020. Effects of mixing biochar on soil N2O, CO2, and CH4 emissions after prescribed fire in alpine meadows of Wugong Mountain, China // J. Soil Sediments. V. 20. № 8. P. 3062–3072.

  28. Dorich R.A., Nelson D.W., 1984. Evaluation of manual cadmium reduction methods for determination of nitrate in potassium chloride extracts of soils // Soil Sci. Soc. Am. J. V. 48. № 1. P. 72–75.

  29. Feurdean A., Vasiliev I., 2019. The contribution of fire to the late Miocene spread of grasslands in eastern Eurasia (Black Sea region) // Sci. Rep. V. 9. Art. 6750. https://doi.org/10.1038/s41598-019-43094-w

  30. Gibson C.M., Turetsky M.R., Cottenie K., Kane E.S., Houle G., Kasischke E.S., 2016. Variation in plant community composition and vegetation carbon pools a decade following a severe fire season in interior Alaska // J. Veg. Sci. V. 27. № 6. P. 1187–1197.

  31. Goodridge B.M., Hanan E.J., Aquilera R., Wetherley E.B., Chen Y.-J. et al., 2018. Retention of nitrogen following wildfire in a chaparral ecosystem // Ecosystems. V. 21. № 8. P. 1608–1622.

  32. Gullap M.K., Erkovan S., Erkovan H.I., Koc A., 2018. Effects of fire on litter, forage dry matter production, and forage quality in steppe vegetation of Eastern Anatolia, Turkey // J. Agric. Sci. Technol. V. 20. № 1. P. 61–70.

  33. Hannusch H.J., Rogers W.E., Lodge A.G., Starns H.D., Tolleson D.R., 2020. Semi-arid savanna herbaceous production and diversity responses to interactive effects of droght, nitrogen deposition, and fire // J. Veg. Sci. V. 31. № 2. P. 255–265.

  34. Higuera P.E., Chipman M.L., Barnes J.L., Urban M.A., Hu F.S., 2011. Variability of tundra fire regimes in Arctic Alaska: Millennial-scale patterns and ecological implications // Ecol. Appl. V. 21. № 8. P. 3211–3226.

  35. Hollingsworth T.N., Breen A.L., Hewitt R.E., Mack M.C., 2021. Does fire always accelerate shrub expansion in Arctic tundra? Examining a novel grass-dominated successional trajectory on the Seward Peninsula // Arct. Antarct. Alp. Res. V. 53. № 1. P. 93–109.

  36. Horn K.J., Wilkinson J., White S., Clair S.B.St., 2015. Desert wildfire impacts on plant community function // Plant Ecol. V. 216. № 12. P. 1623–1634.

  37. Huang Y., Wang K., Deng B., Sun X., Zeng D.-H., 2018. Effects of fire and grazing on above-ground biomass and species diversity in recovering grasslands in northeast China // J. Veg. Sci. V. 29. № 4. P. 629–639.

  38. Jones B.M., Kolden C.A., Jandt R., Abatzoglou J.T., Urban F., Arp C.D., 2009. Fire behavior, weather, and burn severity of the 2007 Anaktuvuk River Tundra Fire, North Slope, Alaska // Arct. Antarct. Alp. Res. V. 41. № 3. P. 309–316.

  39. Kandeer E., 1996. Ammonium // Methods in Soil Biology. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag. P. 406–448.

  40. Kitchen D.J., Blair J.M., Callahan M.A.Jr., 2009. Annual fire and mowing alter biomass, depth distribution, and C and N content of roots and soil in tallgrass prairie // Plant Soil. V. 323. № 1–2. P. 235–247.

  41. Leach M.K., Givnish T.J., 1996. Ecological determinants of species loss in remnant prairies // Science. V. 273. P. 1555–1558.

  42. Lee J.T., Tsai S.-M., Wu Y.-J., Lin Y.-S., Chu M.-Y., Lee M.-J., 2021. Root characteristics and water erosion-reducing ability of Alpine silver grass and Yushan cane for alpine grassland soil conservation // Sustainability. V. 13. Art. 7633. P. 1–15.

  43. Lü X.T., Reed S., Hou S.L., Hu Y.Y., Wei H.W. et al., 2017. Temporal variability of foliar nutrients: responses to nitrogen deposition and prescribed fire in a temperate steppe // Biogeochemistry. V. 133. № 3. P. 295–305.

  44. Mack M.C., Bret-Harte M.S., Hollingsworth T.N., Jandt R.R., Schuuur E.A.G. et al., 2011. Carbon loss from an unprecedented Arctic tundra wildfire // Nature. V. 475. Art. 7357. P. 489–492.

  45. Mark A.F., 1994. Effects of burning and grazing on sustainable utilization of upland snow tussock (Chionochloa spp.) rangelands for pastoralism in South Island, New Zealand // Aust. J. Bot. V. 42. № 2. P. 149–161.

  46. McLauchlan K.K., Higuera P.E., Miesel J., Rogers B.M., Schweitzer J. et al., 2020. Fire as a fundamental ecological process: Research advances and frontiers // J. Ecol. V. 108. № 5. P. 2047–2069.

  47. Narita K., Harada K., Saito K., Sawada Y., Fukuda M., Tsuyuzaki S., 2015. Vegetation and permafrost thaw depth 10 years after a tundra fire in 2002, Seward Peninsula, Alaska // Arct. Antarct. Alp. Res. V. 47. № 3. P. 547–559.

  48. Onipchenko V.G., Makarov M.I., Maarel E., van der, 2001. Influence of alpine plants on soil nutrient concentrations in a monoculture experiment // Folia Geobot. V. 36. № 3. P. 225–241.

  49. Pate J.S., Dell B., 1984. Economy of mineral nutrients in Sandplain species // Kwongan: Plant Life of the Sandplain. Nedlands: Univ. Western Australia. P. 227–252.

  50. Paudel A., Markwith S.H., Konchar K., Shrestha M., Ghimire S.K., 2020. Anthropogenic fire, vegetation structure and ethnobotanical uses in an alpine shrubland of Nepal’s Himalaya // Int. J. Wildland Fire. V. 29. № 3. P. 201–214.

  51. Pausas J.G., Keeley J.E., Schwilk D.W., 2017. Flammability as an ecological and evolutionary driver // J. Ecol. V. 105. № 2. P. 289–297.

  52. Peet K.R., 1992. Community structure and ecosystem function // Plant Succession: Theory and Prediction. L.: Chapman and Hall. P. 103–151.

  53. Peet R.K., Glenn-Lewin D.C., Wolf J.W., 1983. Prediction of man’s impact on plant species diversity // Man’s Impact on Vegetation. Hague: Junk. P. 41–54.

  54. Pellegrini A.F.A., Harder J., Georgiou K., Hemes K.S., Malhotra A. et al., 2022. Fire effects on the persistence of soil organic matter and long-term carbon storage // Nat. Geosci. V. 15. P. 5–13.

  55. Pellegrini A.F.A., Hobbie S.E., Reich P.B., Jumpponen A., Brookshire E.N.J. et al., 2020. Repeated fire shifts carbon and nitrogen cycling by changing plant inputs and soil decomposition across ecosystems // Ecol. Monogr. V. 90. № 4. Art. e01409. https://doi.org/10.1002/ecm.1409

  56. Pinheiro J., Bates D., DebRoy S., Sarkar D., R Core Team, 2016. nlme: Linear and nonlinear mixed effects models. R package version 3.1-128. http://CRAN.R-project.org/package=nlme

  57. Potthast K., Meyer S., Crecelius A.C., Schubert U.S., Tischer A., Michalzik B., 2017. Land-use and fire drive temporal patterns of soil solution chemistry and nutrient fluxes // Sci. Total Environ. V. 605–606. P. 514–526.

  58. Ratajczak Z., Churchill A.C., Ladwig L.M., Taylor J.H., Collins S.L., 2019. The combined effects of an extreme heatwave and wildfire on tallgrass prairie vegetation // J. Veg. Sci. V. 30. № 4. P. 687–697.

  59. Reinhart K.O., Dangi S.R., Vermeire L.T., 2016. The effect of fire intensity, nutrients, soil microbes, and spatial distance on grassland productivity // Plant Soil. V. 409. № 1–2. P. 203–216.

  60. Ryser P., Langenauer R., Gigon A., 1995. Species richness and vegetation structure in a limestone grassland after 15 years management with six biomass removal regimes // Folia Geobot. Phytotax. V. 30. № 2. P. 157–167.

  61. Schaller J., Tischer A., Struyf E., Bremen M., Belmonte D.U., Potthast K., 2015. Fire enhances phosphorus availability in topsoils depending on binding properties // Ecology. V. 96. № 6. P. 1598–1606.

  62. Schulze E.-D., Beck E., Müller-Hohenstein K., 2005. Plant Ecology. Berlin: Springer. 702 p.

  63. Suazo M.M., Collins S.L., Parmenter R.R., Muldavin E., 2018. Montane valley grasslands are highly resistant to summer wildfire // J. Veg. Sci. V. 29. № 6. P. 1017–1028.

  64. Valko O., Torok P., Deak B., Tothmeresz B., 2014. Review: Prospects and limitation of prescribed burning as a management tool in European grasslands // Basic Appl. Ecol. V. 15. № 1. P. 26–33.

  65. Vance E.D., Brookes P.C., Jenkinson D.S., 1987. An extraction method for measuring soil microbial biomass C // Soil Biol. Biochem. V. 19. № 6. P. 703–707.

  66. Wang G., Li J., Ravi S., Dukes D., Gonzales H.B., Sankey J.B., 2019. Post-fire redistribution of soil carbon and nitrogen at a grassland-shrubland ecotone // Ecosystems. V. 22. № 1. P. 174–188.

  67. Williams R.J., Wahren C.-H., Tolsma A.D., Sanecki G.M., Papst W.A. et al., 2008. Large fire in Australian alpine landscapes: Their part in the historical fire regime and their impacts on alpine biodiversity // Int. J. Wildland Fire. V. 17. № 6. P. 793–808.

  68. Wolf J.W., Peet R.K., 1980. Production and diversity in southeastern coastal plain savannas // Bull. Ecol. Soc. Amer. V. 61. № 2. P. 77.

  69. Wragg P.D., Mielke T., Tilman D., 2018. Forbs, grasses, and grassland fire behaviour // J. Ecol. V. 106. № 5. P. 1983–2001.

  70. Yuan Z.Y., Chen H.Y.H., 2012. Fine root dynamics with stand development in the boreal forest // Funct. Ecol. V. 26. № 4. P. 991–998.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал общей биологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал