Мониторинг восстановительных сукцессий на залежах ТНВ «Рыканское» Воронежской области

Организмы-индикаторы используются для идентификации изменений  в окружающей среде, обусловленных  действием смеси загрязнителей. Присутствие толерантных индикаторных организмов в виде высоких плотностей популяций или отсутствие чувствительных индикаторных организмов может служить показателем загрязнения окружающей среды. Метод оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем часто называют биоиндикацией.

В соответствии с этим организмы  или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами.

Существуют различные  формы биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то говорят о неспецифической  биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, речь идет о специфической биоиндикации.

Если биоиндикатор реагирует  значительным отклонением жизненных  проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором.

Аккумулятивные биоиндикаторы, напротив, накапливают антропогенные воздействия большей частью без быстро проявляющихся нарушений.

При биоиндикации следует  учитывать четыре основных требования:

1. Относительная быстрота проведения.
2. Получение достаточно точных и воспроизводимых результатов.
3. Присутствие объектов, применяемых в целях биоиндикации, по возможности в большом количестве и с однородными свойствами.
4. Диапазон погрешностей по сравнению с другими методами тестирования не более 20 %.

Метод биоиндикации можно  применять в различных областях. Например, для определения загрязнения воздуха, почвы, воды, а также в сельском и лесном хозяйстве.

До настоящего времени  наиболее применяемые методы биоиндикации учитывают морфологические изменения  высших растений (Житин Ю.И., Парахневич Т.М., 2000).

 

 

 

 

1. Индикаторы богатства, увлажнения, кислотности 

и засоления почв

Растительность отражает содержание в почве доступных растениям подвижных соединений основных элементов питания (Са, N, Р, К, S, Мg) и микроэлементов (В, Мn, Сu и др.). Постоянными индикаторами богатства почвы являются звтрофные растения приуроченные к богатым почвам и достигающие на них наилучшего развития и максимального обилия. Переменными индикаторами богатства почв служат мезотрофные растения, распространенные на почвах среднего богатства. К отрицательным индикаторам богатства почв относятся олиготрофные растения, приспособленные к существованию в условиях бедного минерального питания.

Шкала богатства  почв, разработанная для лугов Л.Г, Раменским (1938), включает 16 ступеней.

Ступени 1-3. Виды, в значительном обилии встречающиеся только на очень бедных (олиготрофных) почвах подзолистого и сфагново - болотного типа, рН – 4-4,5. Индикаторы: Carex pauciflora, Empetrum nigrum и др.

Ступени 4-6. Виды, преобладающие на бедных почвах, нередко супесчаных и песчаных, сильновыщелоченных, либо торфяных, рН – 5-5,5. Индикаторы: Carex globularis, Nardus stricta и др.

Ступени 7-9. Виды, господствующие на небогатых (мезотрофных), слабокислых, подзолистых, дерново-подзолистых, подзолисто- глеевых и других почвах, рН — 5,5-6,5. Индикаторы: Carex aquatilis, Briza media и др.

Ступени 10-13. Виды, преобладающие на почвах повышенного богатства (серых лесных почвах, выщелоченных черноземах). рН — 6,0-7,5. Индикаторы: Carex humilis, Dactylus glomeraba и др.

Ступени 14-16. Виды, приуроченные к богатым почвам (черноземам, каштановым почвам). рН —7,0-7,5. Индикаторы: Carex hirta, Cnidium dubium и др.

 Л.Г. Раменским (1938) выделены 110 ступеней увлажнения почв. В его шкале увлажнения значения ступеней следующие: 1-17 ступени – увлажнение пустынное, 18-30 – полупустынное, 31-39 – сухостепное, 40-46 – среднестепное, 47-52 – лугостепное, 53-60 – сухолуговое, 61-63 – свежелуговое, 64-67 – влажнолуговое, 68-76 – сыроватолуговое,  77-88 – сыролуговое, 89-93 – болотно-луговое, 94-103 – болотное, 104-109 – местообитания прибрежно-водной растительности, 110-120 – местообитания водной растительности. Детально разработаны растительные индикаторы относительных ступеней увлажнения почв лугов, пастбищных и сенокосных угодий для Европейской части России, Урала, Сибири, Алтая.

Большое значение в почвообразовательном процессе имеет кислотность почв. Для различных районов Северной Европы и Европейской части России известны списки растений-индикаторов кислотности почв. Обобщив эти данные, Б.В. Виноградов (1964) приводит примеры растений-индикаторов для смешанных лесов.

Индикаторы наиболее кислых почв – виды, имеющие оптимум развития на сильнокислых почвах (рН 3,5-4,5), распространенные также на умереннокислых (рН 4,5-5,5) и отсутствующие или редкие на слабокислых или нейтральных почвах (Luzula pilosa, Carex pauciflora, Nardus stricta, Calluna vulgaris и др.)

Показателем повышенной кислотности  почв в посевах пшеницы, ячменя служит массовое развитие сорняков Matricaria perforata, Spergula arvensis.

Более тесные экологические  связи с кислотностью почв обнаруживают мхи и лишайники. В смешанных лесах на сильнокислых почвах распространены мхи Sphagnum rubellum, слабокислых – Sphagnum schreberi, нейтральных – Aulacomnium palustre, слабощелочных – Camptothecium lutescens.

Кальций относится к группе подвижных элементов, образующих легко- и труднорастворимые соли, энергично мигрирующие в природных водах, играет важную роль в обменных процессах в почве, улучшает ее структуру, входит в состав основных элементов, необходимых для живых организмов. Большая часть кальция содержится в почве в виде карбонатов.

К постоянным индикаторам  карбонатных почв относятся растения-кальцефилы. Они предпочитают почвы с содержанием  карбоната кальция свыше 3%.

     Л.Г. Раменский  (1938, 1956) выделяет 14 ступеней засоления  почв и связанных с ними  растений-индикаторов:

Ступени 17-19. Слабозасоленные, солончаковатые сероземные, каштановые солонцовые почвы. Реакция почвенных растворов слабощелочная (рН - 7,5-8,3), в водной вытяжке верхнего полуметрового слоя содержится 0,05% SO₄“ , 0,01-0,03 % Сl.

Ступени 20-21. Среднезасоленные почвы; обычно это луговые солончаковатые почвы, рН -7,5-8,3, SO₄ - 0,1 -0,3%, Сl - 0,05-0,1%.

Ступени 22-23. Сильнозасоленные почвы (солончаки), рН - до 9,1, SO₄ - до 0,5%, Сl - до 0,3%.

Ступени 24-28. Резко засоленные почвы (солончаки). Содержание водорастворимых солей в поверхностном слое почвы – несколько процентов.

Ступени 29-30. Злостные солончаки (шоры). Растительность сильно изреживается или полностью отсутствует.

Ступени засоления почв у  Л.Г. Раменского (1938) начинаются с 17-й, так  как шкала засоления у него является продолжением шкалы богатства  почв, заканчивающейся 16-й ступенью.

 

2. Индикаторы залежей

  

Растительность залежей  служит индикатором расположения пахотных земель в прошлом и относительного возраста залежей. В степной зоне на первой наиболее короткой (до 3-5 лет) бурьянной стадии зарастания залежей вначале господствуют сорные однолетние и малолетние растения (Сhеnороdiит аlЬит, Lactuca serriola, Sonchus и др.). Затем 2-3 года в бурьянной залежи преобладают многолетники (Cirsium arvense, Sonchus arvensis, Melilotus officinalis, Carduus nutans Artemisia austriaca). На 3-5-й год сорные малолетники сменяются корневищными многолетниками (Elytrigia repens, Bromopsis inermis, Poa pratensis).

Вторая корневищная стадия длится 7-10 лет и характеризуется  преобладанием корневищных злаков и полыней. К ее концу корневищные злаки и полыни начинают изреживаться, появляются дерновинные злаки.

Третья стадия характеризуется  поселением сначала рыхлокустовых (Коеleria cristata, Bromopsis riparia),а затем плотнокустовых злаков (Festuca ovina, Festuca sulcata). В конце этой стадии (на 14-15-й год) появляются плотнокустовые ковыли (Stipa capillata, S. lessingiana). Восстановление естественной растительности на залежах затягивается при чрезмерном выпасе на них домашних животных (Каплин В.Г., 2001).

 

 

3. Особенности протекания восстановительных сукцессий 

на залежах

 

Развитие биоценозов, при  котором имеет место замещение  во времени одного сообщества другим, называется экологической сукцессией (от лат. successio – преемственность). В большинстве случаев такие изменения занимают временные промежутки, измеряемые годами и десятилетиями, в отдельных случаях скорость их может увеличиваться (например, во временных водоемах) или растягиваться на столетия.

         Термин сукцессия впервые употребил французский ботаник Де Люк в 1806 г. дня обозначения смен растительности. Но динамику сообществ описал Варминг только в 1896 г. Классическая теория сукцессий была разработана в начале XX века также американским ботаником Ф. Клементсом, который показал, что изменения экологических сообществ во времени – их естественное свойство. Первопричину сукцессий он видел в изменениях отдельных климатических факторов или их комплекса, а реакция экосистем в виде смены последовательного ряда сообществ представляет адаптивный ответ на экосистемном уровне. Сукцессия завершается формированием сообщества, наиболее адаптированного по отношению к комплексу климатических условий. Такое сообщество Клементс назвал "климакс-формацией" или климаксом.

         При определении экологической  сукцессии учитывают три основных  момента:

        1. Сукцессия происходит под действием сообщества, т.е. биотического компонента экосистемы. Сообщество, в свою очередь, вызывает изменения во внешней физической среде, которая определяет характер сукцессии, ее скорость и устанавливает пределы, до которых можем дойти развитие.

       2.  Сукцессия - это упорядоченное развитие экосистемы, связанное с изменением видовой структуры и протекающих в сообществе процессов. Сукцессия определенным образом направлена и, следовательно, предсказуема.

      3. Кульминацией сукцессии является возникновение стабилизированной экосистемы (климаксного сообщества), в которой на единицу потока энергии приходится максимальная биомасса и максимальное количество межвидовых взаимодействий.

       Таким образом, сукцессия – это последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории (биотопе) под влиянием природных факторов (в том числе внутренних противоречий развития самих биоценозов) или воздействия человека. Конечный результат - медленно развивающиеся климаксовые или узловые сообщества. Сукцессионная смена представляет собой постепенные необратимые (реже обратимые - на ранних стадиях сукцессионного развития) направленные изменения биоценозов. Сукцессию можно определить так же, как несезонную, направленную и непрерывную последовательность появления и исчезновения популяций разных видов в определенном местообитании.

  Начальный этап сукцессий В.Н. Сукачев назвал этапом сингенеза или «процессом первоначального формирования растительного покрова, связанным с вселением (миграцией) растений на данную территорию, их отбором в процессе приспособления к её условиям и конкуренцией между ними из-за средств жизни».

Различают два основных типа сукцессий: первичные и вторичные. Первые начинаются с формирования фитоценозов на безжизненных субстратах, там, где растительность раньше не существовала. Вторые возникают в местах с уничтоженной или сильно нарушенной в силу тех или иных причин ранее существовавшей здесь растительностью.

Первичная сукцессия начинается с того, что на обнаженную поверхность грунта попадают зачатки различных растений. Как правило, это накипные лишайники. Позже формируется комплекс из микроскопических водорослей, простейших, нематод, некоторых насекомых и клещей, которые способствуют созданию первичной почвы. Позднее здесь поселяются специализированные виды мхов, еще позднее - сосудистые растения. Параллельно обогащается и животное население. Это пример формирования первичной ксерической сукцессии.

Видовой состав первых поселенцев бывает разнообразным и не имеет  какой-либо закономерности. Прорастают те семена и споры, которые случайно попали на данную территорию. С течением времени часть молодых растений погибает из-за непригодности окружающих и прежде всего почвенных условий. Постепенно растительный покров сохранившихся видов становится более густым, растения начинают контактировать друг с другом и вступает в силу конкуренция. Одни виды оказываются более слабыми и погибают, другие выживают и формируют в конце концов фитоценоз со всеми его характерными особенностями. В различных климатических и почвенных условиях первичные сукцессии идут неодинаково, в результате чего формируются совершенно разные заключительные фитоценозы.

Сукцессии характерны как  для сухопутных, так и для водных местообитаний. Это гидрические сукцессии, которые начинаются в открытых водах мелких озер, верховых болот, маршей. Постепенное зарастание водными растениями, идущее с окраин открытого водоема, ведет к накоплению на дне детрита, образованию торфа и в конце концов к обмелению водоема, который превращается в болото. Накопление растительной массы способствует образованию почвы, здесь поселяются кустарники и древесные породы, идет процесс усыхания болота и развития лесной растительности. Изменение состава фитоценоза вызывает изменения и состава фауны: водные виды заменяются околоводными, а позднее - болотными и лесными.

Вторичные сукцессии развиваются  на субстрате, первоначально изменённом деятельностью комплекса живых организмов. Такие сукцессии имеют восстановительный (демутационный) характер. Примером таких сукцессий может служить восстановление климаксового лесного биоценоза после пожара или вырубки,

Так, на месте вырубленного ельника на открытом пространстве, хорошо освещенном и прогреваемом, создаются благоприятные условия для формирования одноярусного сообщества светолюбивых трав.