27

Хорологические и популяционно-динамические изменения, вызываемые антропогенными стрессорами Воздействие на динамику растительных популяций

1. Популяционный уровень

ПОПУЛЯЦИЯ - совокупность особей одного вида, обладающих общим генофондом и занимающих определённую территорию. Популяции характеризуются общей численностью особей, плотностью (числом особей на единице площади), характером пространственного распределения особей, а также упорядоченностью структуры. Структура популяции проявляется в определённом количественном соотношении особей разного возраста, пола, размера, разных генотипов и т. п.

1.1 Отбор показательных видов

Для отбора видов необходимы подробные данные о биоте изучаемого района. Объектом наблюдения может быть любая группа организмов: от микрофлоры до мегафауны. В тех случаях, когда предусмотрено использование относительно малоизученных видов, обязательно исследование их физиологии. При отборе видов следует учитывать их пространственное распределение. Предпочтение следует отдавать видам, чувствительным к потенциальным загрязнениям, даже если они имеют ограниченное экологическое и промысловое значение.

Трудности отбора проб, связаны с особенностями поведения организмов в зависимости от сезона, возраста и миграций. При разработке программ биоиндикации следует брать широко распространенные в изучаемом районе виды. При отборе видов для биоиндикации следует отдавать предпочтение видам, представляющим различные трофические уровни.

1.2 Показатели популяционного уровня

Использование показателей популяционного уровня зависит от выбранных видов.

а) Ростовые показатели. Данные об абсолютной или относительной скорости роста можно получить, изучая структуру популяции или видов известного возраста. Поскольку маркировку организмов проводить очень трудно, лучше всего использовать такие виды, у которых образуются ежегодные метки.

б) Изменение плодовитости особей, входящих в популяцию, может свидетельствовать о нарушении репродуктивного процесса. Этот показатель целесообразно использовать для видов, которые откладывают относительно небольшое число яиц.

в) Распределение и обилие видов. Распределение и обилие являются особо ценными показателям состояния популяции оседлых видов, особенно при изучении градиента загрязнения. Однако показатель обилия для подвижных форм обладает большой изменчивостью и низкой разрешающей способностью, поэтому его ценность для биоиндикации сравнительно невелика.

г) Структура популяции. Для оценки этого показателя можно использовать методы определения возрастных групп. Максимальная чувствительность структурного показателя популяции достигается при наблюдении за изменениями динамики популяции.

д) Биомасса - это структурный показатель, определение которого не представляет больших трудностей. В травянистых сообществах удобнее и проще всего проводить учет биомассы в период максимального развития травостоя. Одним из наиболее распространенных методов является метод укосов. Для этого на пробной площади размером 20х25 м размещают 20 площадок 0,25х0,25 м, 0,5х0,5 м или 1х1м. Выбор оптимального размера площадок определяется общими запасами и богатством травостоя.

е) Обилие. Величина обилия меняется в больших пределах, чем биомасса, если она рассматривается для определенных размерных классов. Суммарное значение обилия, по-видимому, менее изменчиво, чем обилие отдельных популяций.

ж) Видовое разнообразие. Число видов в данном ценозе обычно сильно зависят от числа и размера взятой пробы. Измерение разнообразия основано на суммарном числе видов и особей и относительном обилии особей данного вида.

з) Число высших таксонов. Простым методом биоиндикации может быть регистрация числа особей с определением их до рода, семейства или порядка. Например, обнаружено постепенное снижение числа таксономических групп мейофауны в направлении от открытого моря к загрязненным прибрежным зонам Южной бухты северного моря: на некоторых станциях оказалась всего одна группа (нематоды) или две (нематоды и копеподы) по сравнению с десятью группами на незагрязненных станциях прибрежных вод. Эти группы мейофауны легко определяются, и их число может служить в качестве полезного показателя для мониторинга антропогенных изменений.

и) Трофическая структура Трофическое положение вида имеет важное значение для таких процессов, как биоаккумуляция и общий поток энергии в сообществе. Соотношение первичных продуцентов или консументов может быть связано с сукцессией и стабильностью сообщества, а соотношение видов с различными типами питания может указывать на преобладающий вид энергии, доступный сообществу.

к) Сравнение сообществ Методы сравнения сообществ в пространстве и времени по своей природе носят статистический характер. Многие методы сейчас широко используются и уже имеются в виде стандартных вычислительных программ.

Динамика численности популяции во времени определяется соотношением показателей рождаемости и смертности особей, а также их иммиграции и эмиграции. Если удельная (рассчитанная на одну особь) скорость роста популяции. постоянна, численность популяции увеличивается по экспоненциальному закону и в ней устанавливается стабильная возрастная структура. Способность к экспоненциальному росту свойственна любой популяции, но в силу неблагоприятных изменений во внешней среде экспоненциальный рост или прекращается внезапно, сменяясь падением численности, или же (что бывает чаще) тормозится постепенно, по мере увеличения численности. У большинства видов животных и растений численность популяции более или менее постоянна, но в некоторых популяциях она подвержена значительным колебаниям, иногда регулярным (у полёвок, нек-рых насекомых и др.). Вспышки численности животных могут сопровождаться миграциями (напр., перелётные виды саранчовых). Динамика численности природных популяций определяется как абиотическими (климатич.) факторами, так и биотическими факторами (пресс хищников и паразитов, внутривидовая и межвидовая конкуренция за жизненно важные ресурсы), изменяющими силу своего воздействия в зависимости от плотности популяции. У нек-рых животных плотность популяции регулируется сложными поведенческими и физиологическими механизмами.

1.3. Воздействие на динамику растительных популяций

Если речь идет о растительных популяциях, то употребляется термин ценопопуляции.

Антропогенные стрессоры могут влиять на все признаки растительных популяций. Наиболее чувствительно реагирует продуктивность(это биомасса, производимая популяцией на единице площади за единицу времени). Она может многократно возрасти в результате ослабления конкурирующих видов.

Довольно быстро изменяются также рождаемость и смертность, а в результате плотность популяции (число особей/площадь). В нарушенных растительных сообществах доля популяций с большой численностью особей обычно выше, чем в ненарушенных. Следовательно, популяции с малой численностью особей находятся под особенно большой угрозой.

Наконец, в ответ на антропогенное нарушение происходит расширение или сокращение ареала популяции. В крайнем случае, это может привести к исчезновению популяции и к вымиранию вида.

В основе возрастной структуры популяции, т. е. процентной доли возрастных классов лежит динамика рождаемости и смертности в течение года и в онтогенезе. При антропогенных нарушениях возрастная структура не всегда изменяется в той же степени, что и три первых признака, и часто оказывается довольно стабильной по сравнению с ними. При оценке результатов нужно учитывать, что в ненарушенных популяциях тоже происходят периодические и непериодические колебания плотности и возрастной структуры.

По сравнению с животными растения в значительно большей степени способны к вегетативному размножению. При определенных условиях оно позволяет виду неограниченно возобновляться даже при полном отсутствии полового размножения (например, при недоразвитии цветов, загрязнении рылец, повреждении пыльцевых трубок, плодов, невозможности прорастания). К примеру один из видов лишайников не образует плодовых тел в сильно загрязненном воздухе крупных городов, но способен размножаться вегетативно. Даже в ненарушенных популяциях видов, размножающихся при помощи стелющихся побегов, корневищ или корневых отпрысков, редко происходит образование новых растений из семян. Так как при вегетативном размножении невозможен обмен генетической информацией, то эти популяции постепенно вымирают.

Направление, в котором изменяется возрастная структура, зависит от воздействия стрессоров на всхожесть, продуктивность, смертность и длительность отдельных возрастных стадий, а также на различные способы размножения. В результате антропогенного нарушения популяции нередко омолаживаются, так как смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются. Это наблюдалось у различных видов напочвенной растительности при прореживании лесов, после превращения нескашиваемых лугов в сенокосные, а также на городских газонах.

Очень важен для биоиндикации отбор устойчивых экотипов (экотип – совокупность особей любого вида организмов, приспособленная к условиям места обитания и обладающая наследуемыми признаками, экологически обусловленными) под действием антропогенных стрессоров, т.к. он затрагивает непосредственно индикаторные признаки тест-растений (при пассивном мониторинге). В природе разнообразие экотипов служит основой для поддержания одинаковой продуктивности популяции при переменных условиях местообитания. При этом популяции многих видов содержат экотипы с высокой толерантностью к определенным антропогенным стрессорам и обладают потенциалом для быстрой эволюции устойчивости. Нередко в короткие сроки (один или несколько вегетационных периодов) происходит вытеснение чувствительных и относительное распространение устойчивых экотипов.

Такая «быстрая эволюция» происходит на основе уже имеющегося многообразия признаков и обычно ведет к обеднению экотипами. Это хорошо изучено на примере популяций мака-самосейки, который недавно стал проникать в крупные массивы зерновых на территориях, где прежде он встречался только по окраинам полей, это указывает на отбор его устойчивых к гербицидам экотипов.

Кроме того, хорошо изучены особенно многочисленные случаи отбора зкотипов, устойчивых к тяжелым металлам, солям и сернистому газу. В эксперименте наблюдался такой же быстрый отбор экотипов, устойчивых к мышьяку, у подорожника и устойчивых к меди у полевица (злак). Для определения таких различий в устойчивости пригоден метод измерения роста корешков у сеянцев, разводимых в водных растворах солей металлов. Этим способом у популяций подорожника с уличных обочин, загрязненных выхлопными газами, была обнаружена повышенная устойчивость к свинцу.

Здесь речь может идти о преадаптации – это усиление сопротивляемости организма к воздействию какого-то химического агента при первоначальном введении или естественном поступлении его в малых дозах.

Преадаптация к двуокиси серы сильнее всего выражена в природе вблизи вулканов; возможно, поэтому японская лиственница устойчивее к сернистому газу, чем европейская. Популяции многих видов из областей с сильным загрязнением SO₂ устойчивее к этому газу или «кислотным дождям», чем произрастающие в условиях чистого воздуха.

При биоиндикации необходимо учитывать возможность быстрой эволюции, так как в районах с сильными газодымовыми выбросами или загрязнением почвы чувствительность индикаторных организмов может иметь заметные наследственные отклонения.