Растения-индикаторы почвенно-грунтовых условий

Организмы, по которым можно определить тот тип физической среды, где они росли и развивались, являются индикаторами среды. Например, таковыми могут быть галофиты. Адаптируясь к засолению, они приобретают определенные морфологические признаки, по которым можно определить, что данная почва засолена, и даже примерную степень засоления.

Это касается не только галофитов, но и жизненных форм растений относительно влаги (гигрофиты, ксерофиты и т. д.), по которым можно оценить влияние этих условий на пастбищный потенциал.

Весьма существенной представляется индикаторная функция растений. Наблюдая за растениями, человек еще в глубокой древности осваивал ориентиры в пространстве и времени. Когда нет солнца и звезд – этих самых надежных указателей направления движения, – растения верно служили ему вместо компаса. Некоторые растения довольно точно «показывали» человеку время суток.

Другие растения выполняли функцию барометра и гигрометра. Они позволяли за несколько часов, а иногда и дней узнавать о приближении ненастной погоды. Собираясь копать колодец, человек отыскивал нужные ему растения, которые подсказывали, как глубоко залегает вода, соленая она или пресная.

Растения-индикаторы не утратили своего значения и в настоящее время. Геоботанический метод обнаружения пресных вод в пустынях и полупустынях получает все большее распространение. Все шире используются растения-индикаторы в поисках ценных полезных ископаемых, для характеристики почв сельскохозяйственных угодий, горных пород, форм рельефа, геоморфологических процессов, культурного ландшафта.

Некоторые растения играют важную индикаторную роль при определении загрязненности атмосферы и гидросферы теми или иными примесями.

Например, исчезновение лишайников на стволах деревьев свидетельствует об увеличении содержания сернистого газа в воздухе; качественный и количественный составы фитопланктона свидетельствует о степени загрязнения водной среды, и т. д.

Фитоиндикаторами называют растения и их сообщества, указывающие на какие-то конкретные особенности среды их обитания. Различают:

- индикаторы частных особенностей среды обитания (кальцефиты, псаммофиты, растения-индикаторы вечной мерзлоты, гидрофиты);

- индикаторы общего или основного комплекса условий существования (трофность, влажность и аэрация почвы).

Теоретической основой метода является положение о взаимозависимости между растениями и условиями местообитания.

В настоящее время растения-индикаторы используют в своих исследованиях и практической деятельности геологи, почвоведы, землеустроители, лесоводы, гидрогеологи, климатологи, археологи.

Тесная взаимосвязь растений с условиями существования позволяет не только по особенностям среды судить о потребностях растений, но и по характеру растительности делать заключения о свойствах окружающей среды, иными словами, использовать растительность как индикатор условий. Определение свойств среды по растениям и растительному покрову составляет содержание особой отрасли ботаники – фитоиндикации, или учения о растительных индикаторах.

Фитоиндикация развилась на основе теоретических представлений, высказанных еще в конце прошлого века В. В. Докучаевым, Е. Вармингом и другими учеными, о всеобщей взаимосвязи и взаимообусловленности элементов природы, а, следовательно, и о возможности судить об изменениях одних элементов по изменению других.

Индикационное значение растительного покрова особенно велико, поскольку среди элементов природы он легко доступен наблюдениям, более чуток и пластичен. По выражению автора первой сводки о растительных индикаторах Клементса Ф. растение или растительное сообщество представляет лучшую меру условий, в которых оно произрастает; это своеобразный «прибор», отражающий особенности среды.

Фитоиндикация охватывает широкий круг явлений, связанных с распознаванием тех или иных особенностей среды или ее изменений. Например, она может включать определение солености водоемов по характеру водной растительности; определение загрязнения воздуха в городах по составу и состоянию растений и т. д. Но особенно широко используется фитоиндикация для определения почвенно-грунтовых условий.

Что может служить в этой области объектом фитоиндикации, на какие признаки могут указывать растения и растительные сообщества? Это:

1) свойства почв (химический состав, плодородие, степень засоления, кислотность, режим увлажнения);

2) состав и свойства грунтов и горных пород (геологическая индикация), в том числе и такие особенности, как новейшие тектонические процессы;

3) антропогенные изменения в почвенной среде как современные (всякого рода загрязнения), так и прошлые (следы окультуривания и различных нарушений).

В качестве индикаторов особенно пригодны виды с узкой экологической амплитудой, приуроченные к определенному сочетанию условий. Так, ольха черная – более надежный индикатор почвенных условий, чем сосна обыкновенная, поскольку распространение первого вида ограничено эутрофными местообитаниями с избыточным (но не застойным) увлажнением, а сосна встречается и на сухих песках, и на сильно обводненных болотных массивах, и на меловых обнажениях.

Различают индикаторы положительные и отрицательные. Первые указывают на ту или иную особенность среды (например, обилие гигрофитов означает избыточное увлажнение почвы), вторые исключают определенные условия в данном местообитании, поскольку не переносят или избегают их (так, произрастание растений-гликофитов исключает высокую концентрацию солей в почвенном растворе).

Индикаторными признаками, указывающими на определенные условия, могут служить различные признаки целых растительных сообществ (флористический состав, наличие или отсутствие видов-индикаторов или экологических групп, их обилие) и отдельных растений (внешний вид, морфологические и анатомические особенности – форма роста, ветвления, необычная окраска или форма цветков, листьев и т. д.; химический состав, интенсивность отдельных физиологических процессов, например, уровень транспирации при разном водном режиме почвы).

Ниже даются примеры фитоиндикации наиболее важных характеристик почвенно-грунтовых условий.

Индикация почвенного плодородия (богатства почвы) – один из наиболее широко применяемых на практике разделов фитоиндикации. Преобладание видов – эутрофов или олиготрофов, количественное соотношение разных по «трофности» групп, присутствие нитрофилов или растений-индикаторов богатства почвы фосфором – все эти данные помогают довольно точно оценить степень богатства почвы с помощью растений.

В частности, на обилие доступного азота указывает пышное развитие листьев и их темно-зеленый цвет (причем не только у нитрофильных видов). Иногда уже издали заметно тёмное пятно лугового травостоя там, где по каким-либо причинам (чаще зоогенным) в почве скапливаются нитраты или соли аммония.

Для отдельных районов и типов растительности разработаны специальные индикационные шкалы, таблицы и справочники, позволяющие по растительности оценить степень плодородия почв.

Индикация кислотности почв проводится по наличию и соотношению в растительном покрове ацидофилов, базифилов, нейтрофилов.

Индикация засоления почвы возможна по появлению в растительном покрове растений-галофитов и степени их обилия, по преобладанию и количественному соотношению видов, принадлежащих к разным типам галофитов. В ряде случаев характер растительности дает возможность установить не только степень засоления, но и состав солей в почвенном растворе.

Гидроиндикация особенно важна для засушливых районов. Она включает определение по растительному покрову свойств грунтовых вод: глубина и характер залегания, степень минерализации и ее сезонный режим и т. д. Так, тамарикс ветвистый Tamarix rasissima в полупустынях и пустынях произрастает при глубине грунтовых вод от 1 до 7 м, а оптимум развития имеет при глубине от 1,8 до 2,4 м.

Индикаторами пресных грунтовых вод в дельтах пустынных рек служат некоторые кустарники: солянка кустарниковая Salsola arbuscula, соляноколосник Halostachys caspica и др. Есть и специальная группа индикаторов, указывающих на не связанные с грунтовыми водами линзы верховодки (воды поверхностного стока в западинах, просочившиеся до водоупорного горизонта).

В лесостепи и степи Северного Казахстана индикаторами таких пресноводных линз служат березняки с травяным покровом, в котором преобладают гигромезофиты и мезофиты (костяника Rubus saxatilis, таволга Filipendula ulmaria, вейник наземный и др.)

Ясно, что индикаторами грунтовых вод могут быть лишь виды с достаточно глубокой корневой системой из групп фреатофитов – растений, корни которых достигают грунтовых вод, и отчасти трихогидрофитов, использующих влагу капиллярной каймы. Растения-омброфиты с неглубокой корневой системой, живущие лишь за счет атмосферных осадков, в этом случае в качестве индикаторов непригодны.

Другая область гидроиндикации – определение по растительности условий увлажнения в верхних корнеобитаемых слоях почвы.

В этом случае большую индикаторную роль играют присутствие и степень обилия в растительном покрове видов разных экологических типов по отношению к воде: гигрофитов, мезофитов, ксерофитов, а также групп, переходных между ними. Существуют подробно разработанные шкалы растений-индикаторов влажности почвы. Некоторые виды могут указывать не только на степень, но и на сезонный режим увлажнения.

Следует отметить, что некоторые растительные индикаторы приурочены не к какой-то одной особенности почвы, а к определенному сочетанию почвенных факторов, что делает возможным индикацию почвенных условий одновременно по двум или нескольким признакам.

Геологическая индикация по растительному покрову включает характеристику горных пород (например, их состав), глубину залегания и режим вечной мерзлоты и др. Особое развитие получила такая важная отрасль геологической фитоиндикации, как использование растительных индикаторов при поисках полезных ископаемых. Минералогический состав горных пород в определенной степени влияет и на почвенный слой: возникают так называемые поля специфической минерализации почв, которые отражаются на составе растительного покрова и состоянии растений.

Один из индикаторных признаков – состав флоры. Известны индикаторные виды, приуроченные к породам и почвам с определенной минерализацией. Такие индикаторы в иных условиях не встречаются и отличаются устойчивостью (а иногда и требовательностью) к определенным элементам.

Известны соответствующие «флоры»: «галмейная» (Viola calaminaria и др.), указывающая на обогащение почвы цинком; «серпентинитовая» (или серпентинная) на серпентинитах, содержащих много магния; «доломитовая», «медная» (в том числе «медные» мхи); растения-индикаторы селена, кобальта и др. Виды, приуроченные исключительно к металлоносным участкам, в целом, получили название металлофитов.

В геологической фитоиндикации индикаторным признаком может быть также изменение внешнего облика растений (например, у чабреца горного Satureja Montana, приуроченного к серпентинитам Балкан, приземистый рост, суккулентность листьев) и особенно окраски цветков. Так, белый миндаль под влиянием магния становится розовым, оранжевая эшшольция в присутствии меди – сизой; белые цветки чабреца на серпентинитах – ярко-фиолетовыми. Недаром формы некоторых видов на серпентинитах иногда описывают как особые морфологические расы.

Наконец, геологическая фитоиндикация может основываться и на изменении химического состава растений (биогеохимический метод поиска полезных ископаемых). Известно, что многие растения способны концентрировать определенные элементы. Иногда такая концентрация происходит в любых условиях, даже при незначительном содержании элементов в окружающей среде, и тогда не имеет индикаторного значения. Например, береза накапливает железо и марганец независимо от местообитания, морские водоросли – йод, плаун сплюснутый Lycopodium complanatum – алюминий, орех водяной Trapa natans – марганец.  

Список таких «ложных индикаторов» хорошо известен в геологии. В других случаях концентрация того или иного элемента в теле растения повышается только в пределах местообитаний (геохимических полей) с его высоким содержанием, что служит надежным индикационным признаком.

Поиск считается перспективным, если содержание элемента в растениях в 5 и более раз превышает обычные для данного района величины («биогеохимическая аномалия»). Например, в некоторых районах поиски никеля возможны по концентрации его в таких обычных видах, как степные ковыли, овсяница овечья Festuca ovina, овсец пустынный Helictotrichon desertorum; поиск вольфрама ведут по накоплению его в ковыле, полыни холодной Artemisia frigid и других видах.