Экологический мониторинг и экспертиза. Учебное пособие
.pdfПочва выступает как одна из четырёх важнейших сред жизни организмов. В состав почв входят минеральные частицы, вода, газы,
органические вещества и специфическая почвенная биота - эдафон. Кроме того, на формирование почв мощное влияние оказывают наземные организмы, прежде всего крупные растительные формы. Почва выступает важнейшим хранителем минеральных и органических соединений. Через почвенный слой проходят основные направления биосферной циркуляции воды и важнейших биогенных элементов.
При проведении биоиндикационных исследований почв следует соблюдать следующие принципы:
1.Из всех жизненных сред почва является наиболее сложной по своему составу и условиям формирования. Это обуславливает сложность в выборе методов оценки её экологического состояния. Универсальных методик биоиндикационных исследований почв не существует.
2.Биоиндикационные исследования почв опираются прежде всего на методы фитоиндикации, так как наземная флора тесно связана с почвенным покровом и его отдельными компонентами. Животные организмы при оценки состояния почв привлекаются редко и с большими ограничениями.
При выборе организмов - биоиндикаторов в расчёт принимаются такие качества, как индивидуальная чувствительность к отдельным факторам почвенной среды, специфичность, широкая распространённость и показательность ответных реакций.
3.Почва выступает сложной многофакторной средой, оказывающей влияние как на отдельные организмы, так и на целые сообщества. В связи с этим в практической биоиндикации почв выделяют два основных направления: оценку условий почвенной среды по морфоанатомическим отклонениям биоиндикаторов и оценку состояния среды по изменениям флористического состава наземных сообществ.
4.В процессе биоиндикационных исследований следует учитывать
значение важнейших абиотических факторов среды (температуры,
91
влажности, интенсивности солнечной радиации и др.), т.к. они могут оказывать сильнейшее влияние на наземные организмы. Исследования необходимо проводить в период наивысшей физиологической активности растений-биоиндикаторов, при благоприятном сочетании внешних условий.
Кроме того, следует обязательно учитывать влияние на почвенный покров хозяйственной деятельности человека.
5. При проведении биоиндикационных исследований следует реализовывать несколько взаимодополняющих методов. Данные биоиндикационного анализа следует подтверждать результатами физико-
химических исследований.
В практической биоиндикации почв используется несколько классификаций индикаторных организмов. Наибольшее распространение получила классификация, построенная на основании критериев специфичности наземной растительности по отношению к отдельным компонентам почвенной среды. Эта система включает следующие группы организмов:
1. Индикаторы содержания в почве важнейших биофильных элементов.
По потребностям к питательным веществам, содержащимся в почве,
растения делят на следующие группы:
- эутрофы - растения почв с высоким содержанием важнейших биофильных элементов. В группу входят сныть, борщевик, полынь горькая,
полынь обыкновенная, конопля дикая, представители рода Ковыль, дуб,
ольха; - мезотрофы - растения почв с умеренным содержанием биофильных
элементов. К ним относятся тимофеевка луговая, овсянница луговая, клевер,
ель;
- олиготрофы - растения почв с низким содержанием питательных веществ. В группу входят полевица обыкновенная, вереск, росянка, сосна;
92
- эвритрофы - растения, мало чувствительные к содержанию в почвах биофильных элементов. К ним относятся осока чёрная, полевица белая,
луговик дернистый.
2. Индикаторы кислотности почв. Показатель кислотности почв среды определяется концентрацией в ней ионов водорода и выражается величиной рН. Диапазон рН почв в природе может колебаться в широких пределах - от 3
до 11. По отношению к кислотно-щелочному балансу почв выделяют следующие группы растений:
- ацидофилы - лучше развиваются на кислых почвах при рН менее 6,7.
Относятся карликовая берёза, вереск, черника, хвощи, калужница болотная,
осока песчаная, щавель малый, лишайники р. Кладония; - базофилы - лучше растут на щелочных почвах с рН более 7,0. Входят
лебеда, кермек, полыни, ковыли, типчак, овёс пустой, герань кроваво-
красная; - нейтрофилы - оптимальные условия произрастания при рН 6,7 - 7,0.
Относятся пшеница и большинство культурных злаков;
-индифферентные виды - безразличные к кислотности почв. Входят овсяница овечья, вьюнок полевой, ландыш.
3. Индикаторы засоленности почв. Этот показатель определяется повышенным содержанием солей, токсичных для растений. Особенно вредны легкорастворимые соли - Na2CO3, NaCl, MgCl2, CaCl2 и др. Все растения по отношению к концентрациям почвенных солей делятся на следующие группы:
-галофиты - произрастают на засоленных почвах. Входят астра солончаковая, лапчатка гусиная, лебеда, щавель, цикорий дикий, морковник,
солерос, лисохвост луговой, дербенник низкий, подорожник тонкоцветный,
тюльпан Шренка, василёк средний; - гликофиты - произрастают на почвах с пониженным содержанием
солей. Относятся клевер, ива, кислец, большинство растений-мезофитов умеренной полосы;
93
- индиффирентные виды - безразличные к солёности почв. Входят тростник обыкновенный, ситник морской, чагерак.
4. Индикаторы карбонатности почв. Известковость (карбонатность)
почв определяется содержанием карбонат- и гидрокарбонат-анионов. Все растения по отношению к концентрациям этих ионов делятся на следующие группы:
- кальцефилы - произрастают на почвах с содержанием извести свыше
3%. Относятся венерин башмачок, мордовник степной, астра степная,
ежовник меловой, кермек, полынь солянковидная, левкой душистый,
копеечник крупноцветковый, оносма простейшая, горноколосник щитковый,
мордовник обыкновенный, бурачок альпийский; - кальцефобы - произрастают на почвах с крайне низким содержанием
извести. Входят осока малоцветковая, белоус жёсткий, щавель малый,
черника, вереск; -индиффирентные виды - безразличные к содержанию извести в
почвах. Относятся щетинник зелёный, гречиха птичья, горицвет белый.
Индикаторы содержания полезных ископаемых. Отдельные виды растений могут выступать индикаторами подпочвенных пород полезных ископаемых, прежде всего различных металлов. К ним относятся:
-индикаторы на железо - сосюррея мелкоцветная;
-на медь - качим, смолёвка;
-на свинец - овсянница, полевица;
-на кобальт - смолёвка;
-на марганец - цветущая полынь;
-на цинк - фиалка, ярутка, армения;
-на селен - астрагал, лисовник;
-на магний - бурачок, чабрец.
Оценка загрязнённости почв металлами по морфологическим признакам наземной растительности. С целью определения высокого уровня
94
содержания в почве различных металлов проводят наблюдения за морфологическими изменениями древесных и травяных растений.
Признаки повреждения перечислены в таблице 16 (по А.А. Беус и А.И.
Гробовской, 1986, с изменениями):
Таблица 16 - Признаки повреждения растений
Избыток |
Растения-индикаторы |
Морфологические изменения |
|
элементов |
|
|
|
F, Li, Nb |
Широколиственные |
Чрезвычайно раннее пожелтение и опадение |
|
|
|
древесные породы |
листьев |
Nb, |
Li, |
Полынь Гмелина, |
Белая окраска листьев |
Be |
полынь холодная, |
|
|
|
|
лапчатка |
|
Pb, |
Cu, |
Полынь разных видов, |
Сильное опушение побегов, ветвление стеблей, |
Zn |
Эфедра |
мутовчатое расположение листьев вместо |
|
|
|
|
очередного (у полыней); обильное цветение и |
|
|
|
плодоношение (у эфедры). |
Zn, |
Mn, |
Большинство |
Хлоротичность листьев, белые карликовые формы |
Cr |
мезофитных трав |
растений, некротические пятна на кончиках |
|
|
|
умеренной полосы |
листьев, ослабленный рост корней. |
Ni, |
Mo |
Мезофитные травы |
Жёлто-оранжевая окраска растений; белые |
|
|
умеренной полосы |
некротические пятна на листьях. |
Сu, |
Mn, |
Мезофитные травы |
Хлоротичность листьев; ползучие бесплодные |
B |
|
формы растений. |
|
Cr, Cu |
Мезофитные травы |
Пожелтение листьев с сохранением зелёных |
|
|
|
|
прожилок на листьях. |
Fe |
Мезофитные травы |
Задержка в росте верхушек растений; резкое |
|
|
|
|
утолщение корня. |
Порою растения "сообщают" о мощности залежей. Так, осина
(Tremula L), попадая на почву, содержащую избыток тория, начинает расти словно на дрожжах: листья достигают 30 см в диаметре, ствол – 70 см.
Точно также ведет себя прутняк (Kochia Roth.) - растение, реагирующее на избыток бора в почве ускоренным ростом. Месторождение медных руд или цинка можно с большей долей вероятности предсказать с помощью мака. Окраска и структура его лепестков при избытке в почве меди или цинка меняется поразительным образом: лепестки становятся черными и махровыми.
Очень чутко реагируют растения-индикаторы на нарушение баланса плодородия почв: недостаток фосфора определяется по красноватой, а порою
95
даже фиолетовой окраске листьев, недостаток калия - по появлению бурых и
«ржавых» пятен по краям листьев. У ботаников есть термин - краевой ожог листьев: это уже «дистрофия», вызванная калийным голоданием. По такой распространенной культуре, как капуста бело качанная (Brassica deracea),
можно сделать вывод о бедности почв азотом у растений наблюдается хлороз листьев; если не хватает фосфора - листья у капусты с синим оттенком; нет калия - крапчетая бронзовость листьев; нет магния - «мраморные» листья.
Программа биоиндикации почв состоит из 4-х традиционных этапов: 1. На подготовительном этапе определяются основные параметры
биоиндикации почв, по картам изучаются геоботанические особенности территории, подбираются методы исследований. Как правило,
биоиндикационные исследования почв проводятся параллельно с геоботаническим описанием местности. Это определяет выбор методов и подготовку полевого оборудования.
2. Полевой этап начинается с организации рабочих мест. Ими могут быть геоботанические маршруты и расположенные на них площадки. На маршруте проводится предварительный учёт растений-биоиндикаторов, а на площадках – полный количественный учёт и оценка морфологических признаков объектов. Одновременно собирается гербарный материал для изучения в лаборатории.
3.Камеральный этап связан с тщательной обработкой собранных растений-биоиндикаторов, определением их видового состава и наличием у них эффектов повреждения.
4.На аналитическом этапе все полученные данные систематизируются
иобрабатываются с помощью общепринятых статистических методов.
После этого даётся оценка экологического состояния почв изученной территории и заполняются итоговые документы.
96
11.3 Биоиндикация среды с помощью древесных пород
В 1985 г была утверждена программа международной кооперации по изучению воздействия загрязнителей воздуха на леса. Эта программа является частью глобальной системы мониторинга окружающей среды и проводится под эгидой ЮНЕСКО. Цель программы - мониторинг жизненного состояния лесов планеты, осуществляемый с помощью простых и эффективных методов. К таким методам принадлежит и биологическая индикация лесов при помощи некоторых древесных пород. В качестве индикаторов среды на территории России используются многие хвойные
(сосна, ель, пихта) и некоторые широколиственные (дуб, липа, лиственница)
породы.
Общее жизненное состояние (ОЖС) леса - интегральный показатель,
основанный на комбинации некоторых частных показателей. Эти показатели должны всесторонне отражать биологические процессы и жизненные функции отдельных деревьев. Таким образом, ОЖС - основной показатель жизненных процессов деревьев и состояния среды, в которой они произрастают.
Деревья - индикаторы должны соответствовать всем основным требованиям, предъявляемым к биологическим индикаторам. К ним относятся: высокая чувствительность к атмосферным загрязнителям,
широкая распространённость в основных природно-климатических зонах,
показательность ответных реакций. Важную роль при выборе индикатора играет его доступность в разные сезоны года. Этим требованиям в полной мере соответствуют именно хвойные породы.
Все критерии ОЖС деревьев можно разделить на основные и дополнительные. К основным критериям относятся: дефолиация, хлороз и некроз ассимилирующих побегов. К дополнительным критериям можно отнести количество и состояние генеративных побегов, прирост
97
верхушечного побега, форму кроны, морфометрические показатели отдельных побегов и прочие.
Дефолиацией обозначается опадание хвои или листвы, внешне выражающееся в снижении густоты кроны. По степени дефолиации все деревья можно разделить на 4 группы. 0 (нулевой) класс присваивается в том случае, если дефолиация отсутствует или не превышает 10 %. 1-й класс характеризуется умеренной дефолиацией от 10 % до 25 %. 2-й класс отличается значительной потерей побегов от 25 % до 60%. 3-й класс присваивается деревьям с сильной дефолиацией - более 60 %.
В полевых условиях степень дефолиации определяется визуально; при необходимости пользуются биноклем. Особое внимание уделяется ветвям в средней части кроны.
Другими важнейшими критериями ОЖС являются хлороз и некроз побегов. Хлорозом обозначают степень потери побегами естественной окраски кроны. Некрозом называют омертвение участков ассимилирующих побегов. Эти показатели оценивают визуально по 4-х балльной шкале:
0 баллов - пожелтение отсутствует или не превышает 10 %; количество хвоинок с некротическими участками также не превышает 10 %.
1 балл - слабое и умеренное пожелтение, незначительный и умеренный некроз побегов от 10 % до 25 %.
2 балла - умеренное и значительное пожелтение или омертвение побегов от 25 % до 60 %.
3 балла - сильный хлороз или некроз - более 60 %.
Оценка хлороза и некроза ассимилирующих побегов индикаторных деревьев должна производиться при хорошем освещении, отсутствии ветра и дождя. Для сравнения рекомендуется использовать гербарные образцы побегов, соответствующие стандартам каждого класса пожелтения.
К основным критериям ОЖС относится также и класс дефолиации деревьев, выражающийся в изменениях формы кроны и её отступлении от стандарта. В отличие от степени дефолиации данный показатель сильно
98
изменчив и индивидуален для каждой отдельной породы деревьев. На примере сосны обыкновенной (Pinus silvestris) этот показатель делится на следующие классы:
-1 класс - равномерная дефолиация по всему объёму кроны;
-2 класс - дефолиация от основания кроны;
-3 класс - периферийная дефолиация;
-4 класс - вершинная дефолиация, выражающаяся в суховершинности;
-5 класс - дефолиация от ствола, т.е. потеря хвои во внутренних частях
кроны;
-6 класс - дефолиация верхней, но не вершинной части кроны, с
образование характерных «окон».
При определении классов дефолиации индикаторных деревьев необходимо пользоваться рисунками и фотографиями различных вариантов формы кроны.
К числу дополнительных показателей относится количество и состояние генеративных побегов. Этот показатель делится на две разновидности - «старые шишки» и «новые шишки». Их оценка проводится визуально по 4-х балльной шкале: от 0 баллов (шишек много) до 3 баллов
(шишки отсутствуют или представлены единичными экземплярами).
Другой важный показатель - прирост верхушечного побега. Показатель определяется визуально (приблизительная оценка) или с помощью прямых методов (точная оценка). Прирост определяют как расстояние от последней мутовки до окончания побега. Для оценки этого критерия необходимы данные о среднем приросте у данной породы в изучаемой местности. К
примеру, прирост верхушечного побега у сосны в условиях средней полосы России составляет от 10 см до 15 см, а прирост менее 5 см считается малым.
Программа биологической индикации леса включает следующие этапы:
1-й этап - рекогносцировочное обследование местности и выбор рабочих участков. Обследование территории осуществляется в соответствие
99
с правилами мониторинговых исследований фитоценозов. Рабочие участки закладываются в виде площадей размером 100 м 100 м и более. По времени выбираются наиболее оптимальные сроки наблюдений для каждого индикационного вида. Например, для сосны обыкновенной этот период продолжается с конца августа по декабрь. Ель и пихта формируют два побега в год, что обуславливает два оптимума: весенний (май - июнь) и осенний (октябрь - декабрь). На широколиственных породах исследований целесообразно.
2-й этап - биологическая паспортизация леса. Для выбранных биоиндикационных площадок составляется стандартный геоботанический паспорт, который содержит основные сведения о фитоценозе и занимаемом биотопе. Паспорт составляется в форме стандартного бланка описания фитоценоза.
3-й этап - выбор модельных деревьев и оценка показателей ОЖС. Количество индикаторных деревьев должно быть не менее 20-ти, они должны быть одного вида и возраста. Результаты оценки показателей заносятся в специальный бланк описания ОЖС леса. Бланк включает следующие колонки: № модельного дерева, степень дефолиации, класс пожелтения (хлороз) побегов, «новые шишки», «старые шишки», прирост верхушечного побега, сумма баллов всех показателей, тип дефолиации, форма кроны, примечания. В примечаниях указывается дополнительная информация о модельных деревьях (повреждения побегов, гнёзда птиц, дупла, следы вредителей, наличие эпифитных лишайников, грибов и т.п.).
4-й этап - обработка результатов индикационных исследований и графическая интерпретация данных. Обработка результатов включает: оценку ОЖС отдельных деревьев и изученного участка фитоценоза, вывод об экологическом состоянии территории. Графическая интерпретация заключается в построении графиков и диаграмм жизненного состояния лесной растительности, статистической обработке показателей (оценка
100