Биоиндикация состояния почвенного покрова. Фитоиндикация состояния почвенного покрова

Биоиндикация  состояния почвенного покрова

Фитоиндикация состояния почвенного покрова

    Роль почвенного покрова в биосфере и хозяйственной деятельности человека общеизвестна. Тем большее значение приобретает своевременная обоснованная оценка качественного состояния почв.

     Своевременная диагностика почв  использует достижения различных  разделов почвоведения (минералогии,  морфологии, физики и химии). Нельзя, однако, упускать из виду, что  физические и химические показатели  характеризуют относительно консервативные  признаки и свойства почв, которые  требуют длительного времени  для своего проявления. Кроме  того, определение соответствующих  показателей нередко требует  использования достаточно дорогостоящих  и трудоемких методик. Полученные  же результаты не всегда адекватно  отражают степень подверженности  воздействию поллютантов такой сложнейшей системы, как почва.

    Биологический способ индикации состояния окружающей среды и ее компонентов (в том числе и почвы) включает ботанические,  зоологические, микробиологические и биохимические методы.

    Ботанические методы индикации и диагностики (методы фитоиндикации). В настоящее время эти методы достаточно хорошо разработаны и широко используются в практике почвенных исследований. Они составляют специальный раздел индикационной геоботаники, дают хорошие результаты при дистанционном изучении почв, грунтов, грунтовых вод, полезных ископаемых и др. Фитоиндикация заключается в использовании, как растительного покрова, так и отдельных сообществ и видов в качестве показателя (индикатора) состояния исследуемых компонентов среды. Термин «фитоиндикатор» впервые предложил в 1914 г А.П. Ильинский. Ученый рекомендовал выращивать растения в сосудах с одной и той же почвой, помещая их в различные участки поля, а по отклонениям в биомассе определять влияние микроклимата поля на урожай.

   Небезынтересно, что первые записи-предложения  о растениях-индикаторах можно  встретить у «отца» ботаники  – Теофраста (IV…IIIвв. До н.э.).

    Наиболее ранние  высказывания  наших соотечественников о растениях  – индикаторах принадлежат А.Н.Радищеву, который писал: «Где растет дуб, клен, вяз, яблонник, буковица, клубника, там земля добра. Берерзняк показывает убогую глину, а сосняк, можжевельник, молодило – сухую супесь, а тростник, мох, хвощ, осока – мокрую землю и болотную».

    Российский ботаник Б. Виноградов  разделил индикаторные признаки растений на флористические, морфологические, физиологические и фитоценотические.

    Флористические признаки отражают  различия в флористическом составе изучаемых участков. Они являются следствием отдельных видов к определенному комплексу экологических условий. Индикаторные свойства проявляются как в наличии, так и в отсутствии того или иного вида.

   Накопление большого фактического  материала позволяет судить о  степени гидроморфности, засоленности, кислотности или щелочности, а также о богатстве почв питательными элементами.

       Например, по отношению растений  к кислотности почв (рН) установлены группы растений, характеризующие приуроченность отдельных их видов к определенным значениям рН. Наиболее кислым почвам (рН 3,0…4,5) соответствуют крайние ацидофилы: белоус, скерда, щучка, зеленые и сфагновые мхи.

    Также кислые почвы, но с  рН от 4,5…6,0 и до 6,5  можно определить по развитию умеренных ацидофилов: калужница болотная, фиалка собачья, осока пузырчатая.

   О несильно кислых почвах (рН 5,0…6,7, иногда до 7,2) свидетельствуют слабые ацидофилы: василистники светлый и простой, осока ранняя, смородина черная.

    К группе ацидофилонейтральных эвритрофов, растущих при рН от 4,5 до 7,0 (иногда до 7,5), можно отнести: чину, луговую, смолку обыкновенную, осоку заячью.

    Особую группу составляют растения  околонейтральных почв, хорошо развивающиеся при рН 6,0…7,3: лисохвост луговой, клевер горный и луговой,, борщевик сибирский.

  По отношению к засоленности почв различают растения незасоленных территорий – гликофиты и приспособленные к обитанию на засоленных прчвах – галофиты. К проследним относятся солянки, верблюжья колючка, саксаул.

   По приуроченности к гранулометрическому составу почв растения делятся на псаммофиты (растения песков) и пелитлфиты (растения глин). На каменистых и щебнистых субстратах произрастают растения – петрофиты (камнеломка).

   Примером индикатора богатых питательными веществами почв является крапива.

     Морфологические признаки проявляются в изменениях окраски и формы листьев, строения корневой системы, ширины годичных колец деревьев; в особенностях строения проводящих тканей; в различиях в строении отдельных клеток и тканей; в различных аномалиях. Изменение морфологических признаков как реакция на загрязнение хорошо прослеживается на лишайниках. Она проявляется в слабой выраженности зоны роста, в неравномерном развитии лопастей, которые приобретают неправильную форму, в изменении структуры верхней поверхности слоевища и ее окраски.

    При выращивании ячменя на  почвах, загрязненных медью, его  листья  утрачивают нормальную  зеленую окраску и становится хлоротичными. Аналогичная реакция наблюдается у растений ячменя , томата и картофеля при избытке бора. При избытке марганца листья ячменя и стебли картофеля покрываются буроватыми пятнами и т.д.

     Физиологические признаки предполагают  учет особенностей химического  состава и обмена веществ (пигменты, белки, жиры, величина осмотического  давления, водоудерживающая способность,  интенсивность транспирации).

      Фитоценотические  признаки связаны с особенностями структуры растительного покрова (обилие и рассеянность, ярусность, мозаичность).

        По отношению к воде (по условиям водного питания) растения делятся на фреатофиты (постоянно связаны корневой системой с грунтовыми водами – камыш, бузина, крыжовник), корневая система некоторых из них может достигать 20…30 м; Трихогидрофиты (связаны с капиллярной каймой грунтовых вод); амброфиты (используют влагу атмосферных осадков); Факультативные фреатофиты (существуют в зависимости от условий увлажнения как фреатофиты и как амброфиты).

Почвенно – зоологическая индикация

     Еще в 1837 г.. на основании своих наблюдений за жизнедеятельностью дождевых червей Ч. Дарвин пришел к заключению, что для почвы термин «животный слой» даже более оправдан, чем обычно употребляемый «растительный слой».

       Лишь в последние годы почвенно-зоологические исследования начали успешно развиваться как у нас в стране, так и за рубежом, и многое сделано в данном направлении автором рецензируемой монографии М. С. Гиляровым.

В этой его книге изложены результаты многолетних и целеустремленных исследований, проведенных на грани двух наук — зоологии и почвоведения, и показаны возможности диагностики почвы и на основе изучения коррелятивных связей между типами почв и свойственным им миром почвенных животных. Особенно детально анализируются связи беспозвоночных животных с такими свойствами почв, как механический состав и сложение почвы, содержание и характер органических остатков и гумуса, реакция (рН) почв и содержание карбонатов кальция, гидротермический и солевой режимы почв. На многочисленных примерах хорошо показано, что почвы разных географических зон характеризуются и разными, но вполне определенными комплексами почвенных животных, среди которых особо важное значение в диагностическом отношении имеют крупные беспозвоночные — так называемая «мезофауна»   почв.

      Поведенческие реакции различных представителей животного мира также могут служить индикаторами состояния окружающей среды  и отдельных ее компонентов. Например, в опытах  по влиянию на пчел инсектицида дельтаметрина в подострой дозе (в 27 раз ниже ЛД50) было установлено, что они теряли пространственную ориентацию. Пчелы не возращались в улей через с после контрольного выпуска, что втрое превышает среднее время возврата контрольных особей. Своеобразным индикатораом является продуктивность сельскохозяйственных культур, характеризуемая количеством биомассы на единицу площади.

Микробиологическая  индикация

     Среди применяемых биологических методов индикации наиболее чувствительными являются микробиологические, что объясняется особенностями микробиоты, которые обусловлены  исключительно высокой чувствительностью м/о к малейшим изменениям в состоянии окружающей природной среды и ее компонентов. Основателем микробиологической диагностики в нашей стране является С.П. Костычев, проводивший соответствующие исследования  еще в 20-х годах прошлого столетия.     Большой вклад в последующее развитие и становление этого направления внес академик Е.Н. Мишустин. Изучая распространение спорообразующих бактерий, он обнаружил изменения морфологических и биохимических признаков этого вида в зависимости от экологических условий. Так, под влиянием различных факторов окружающей спирализации клеточных колоний, активность каталитических процессов и др. Обстоятельными исследованиями Е.Н. Мишустина и его школы было показано, что, несмотря на широкий ареал спорообразующих бактерий, существуют зоны их оптимального развития. Среди м/о выявлены виды, характеризующие как определенное состояние компонентов окружающей среды, в частности почв, так и изменения в функционировании микробиоценозов в различных экологических условиях.

    Например, индикатором глубины минерализационых процессов является соотношение северных и южных видов бацилл.

    В последние годы значительное  внимание уделяют индикации состояния  экосистем, подвергающихся антропогенному  загрязнению. При этом изучают  такие показатели, как биохимическое, физиологическое и морфологическое изменение микробиоты; динамика численности м/о; видовой состав; интенсивность функционирования; мутагенные эффекты и т.д.

      Показателем снижения устойчивости экосистем под влиянием свинцового загрязнения является изменение структуры микробного ценоза, в которой возрастает содержание микроскопических грибов. При этом иным становится характер метаболических процессов и грибы начинают продуцировать вещества, угнетающе действующие на растения

    О повышении фитотоксичности грибов при возрастании почвенного загрязнения свидетельствуют результаты определения энергии прорастания гороха. В культуральной жидкости грибов, выращенных при высоких дозах свинца, энергия прорастания семян была существенно ниже, чем в контроле. И в контроле, и в варианте с невысоким загрязнением (80 мг/кг) более половины семян (65 и 56% ) прорастало уже через 30 ч.

      Таким образом, структура микробного ценоза и продукты метаболизма микроскопических грибов можно не без успеха использовать для индикации загрязнения почв тяжелыми металлами. Доза же свинца, составляющая > 80 мг/кг почвы, является пороговой. При ее превышении наблюдается снижение самоочищающей способности дерново-подзолистой почвы и она становится токсичной для растений.

    Среди методов, используемых для диагностики, наибольшее признание получил аппликационный метод количественного определения свободных аминокислот, предложенный академиком Е.Н. Мишустиным с сотрудниками. Этот метод особенно точен, учитывает изменения почвенных условий (влажность, смена растительного покрова, степень разложения органического вещества и др), позволяет проводить большое число повторных анализов

Отмечая важное значение микробиологической индикации  состояния окружающей среды и  ее компонентов, в частности почвы,  целью достаточно раннего обнаружения  антропогенных нарушений в этой сложнейшей системы, следует иметь в виду пока еще недостаточную изученность проблемы и, как следствие, определенную ограниченность  в использовании индикационных возможностей м/о.

    В заключение необходимо отметить, что использование биоиндикации и биотестирования для анализа и оценки состояния агроэкосистем не может ограничиваться только выявлением потенциальных загрязняющих веществ. Биодиагностика должна служить и для оценки эффективности технологий возделывания с/х культур, сохранения устойчивости агроэкосистем, их биологического и генетического разнообразия.