Оценка экологического состояния почвенного покрова лесных биоценозов методом биоиндикации (тезисы доклада)
Оценка экологического состояния почвенного покрова лесных биоценозов методом биоиндикации (тезисы)
Проблема сохранения окружающей среды в настоящее время концентрирует на себе внимание исследователей всего мира. В связи с усилением антропогенной нагрузки, испытываемой природными комплексами, становится необходимой разработка и апробация методик, позволяющих оценивать экологическое состояние природно-антропогенных сред. Поэтому проблема развития различных мониторинговых подходов в системе экологического контроля сегодня очень актуальна. Не всегда есть возможность проводить комплексные научные исследования, требующие больших материальных затрат и специального оборудования. В таких случаях можно использовать методы биоиндикации, биомониторинга, получивших в последнее время широкое признание и распространённость. В центре внимания нашего исследования – оценка качества почвы в районе, испытывающем сильное антропогенное влияние, с помощью биоиндикаторов и обеспечение объективной оценки экологических условий среды обитания биологических объектов. Целью работы стала оценка качества окружающей среды методом биоиндикации почвы с помощью беспозвоночных животных, обитающих в почве. Задачи исследования: • Установить численный и видовой состав почвенных беспозвоночных на контрольной и исследуемой территории. • Рассчитать относительный показатель изменения видового биоразнообразия. • По расчетным данным дать оценку экологического состояния почвенного покрова на исследуемой территории. Практическая значимость: развитие экологического мониторинга на основе биоиндикации в перспективе выработать рациональную экологическую политику для улучшения городской среды по всем ее компонентам. Новизна: впервые применен метод биоиндикации в оценке экологического состояния почвы г. Михайловска. Данные, которые были получены по окончании исследовательской работы, являются новыми, нигде ранее не зафиксированными. Почва, как среда обитания животных разительно отличается от остальных сред обитания (воды, воздуха): именно в почве наблюдается огромное сопротивление среды, в почве совершенно другие условия дыхания. Именно благодаря такому строению среды в ней живут многочисленные животные, дышащие через кожу. В воздушной среде такие животные довольно быстро погибают от пересыхания кожных покровов. Еще в почве живут сотни видов пресноводных организмов, по большей части микроскопических (низшие черви, простейшие), населяющие реки, пруды и болота. Эти существа двигаются в почвенной воде. Если почва высыхает, эти животные выделяют защитную оболочку и как бы засыпают, впадают в состояние анабиоза. Среди почвенных животных встречаются и хищники, и организмы, питающиеся частями живых растений, главным образом корнями, и потребители разлагающихся растительных и животных остатков. Таким образом, здесь представлены как пастбищные, так и детритные пищевые цепи, имеются как консументы различных порядков, так и редуценты, корни же высших растений могут рассматриваться как автотрофы (часть их). Жизнедеятельность многих почвенных животных полезна. Особенно полезны дождевые черви. Они затаскивают в свои норы огромное количество растительных остатков, что способствует образованию перегноя и возвращает в почву вещества, извлеченные из нее корнями растений. В лесных почвах беспозвоночные, особенно дождевые черви, перерабатывают более половины всех опавших листьев. За год на каждом гектаре они выбрасывают на поверхность до 25-30 т переработанной земли, создавая тем самым хорошую, структурную почву. Если распределить эту землю равномерно по всей поверхности гектара, то получится слой в 0,5-0,8 см. Поэтому дождевых червей справедливо считают важнейшими образователями почвы. В почве «работают» не только дождевые черви, но и их ближайшие родственники - более мелкие кольчатые черви (энхитреиды, или горшечные черви), а также некоторые виды микроскопических круглых червей (нематоды), мелкие клещи, различные насекомые, особенно их личинки, мокрицы, многоножки и даже улитки. Влияет на почву и чисто механическая работа многих живущих в ней животных. Они прокладывают ходы, перемешивают и разрыхляют почву, роют норы. Все это увеличивает количество пустот в почве и облегчает проникновение в ее глубину воздуха и воды. В такой «работе» участвуют не только сравнительно мелкие беспозвоночные животные, но и многие млекопитающие. В почве обитает немало хищников. Хищники имеются почти среди всех групп беспозвоночных, живущих в почве. Крупные инфузории питаются не только бактериями, но и простейшими животными, например жгутиковыми. Сами инфузории служат кормом для некоторых круглых червей. Хищные клещики нападают на других клещей и мельчайших насекомых. Тонкие, длинные, бледно-окрашенные многоножки - геофилы, живущие в трещинах почвы, а также более крупные темно окрашенные костянки и сколопендры, держащиеся под камнями, в пнях, тоже хищники. Они питаются насекомыми и их личинками, червями и другими мелкими животными. К хищникам относятся пауки и близкие к ним сенокосцы. Многие из них обитают на поверхности почвы, в подстилке или под лежащими на земле предметами. В почве живет много хищных насекомых. Это жужелицы и их личинки, играющие немалую роль в истреблении насекомых-вредителей, многие муравьи, особенно более крупные виды, истребляющие большое количество вредных гусениц, и, наконец, знаменитые муравьиные львы, названные так потому, что их личинки охотятся за муравьями. По степени связи с почвой различают три основные группы животных: - геобионты - проводящие в почве всю жизнь: дождевые черви, некоторые виды многоножек, ногохвосток и другие; - геофилы - у которых какая-то часть цикла развития обязательно проходит в почве: жужелецы, хрущи, комары-долгоножки и другие; - геоксены - случайные обитатели почвы, использующие почву лишь в качестве временного убежища или укрытия: развивающиеся вне почвы пауки, вредная черепашка и другие. Во всех наземных экосистемах подавляющее большинство беспозвоночных (как по количеству видов, так и по числу особей) являются обитателями почвы или близко связаны с почвой в определенный период своего жизненного цикла. По расчетам Букле (1923), число видов насекомых, связанных с почвой, составляет 95-98%. (М. С. Гиляров, 1965) В наземных экосистемах во всех районах Земли обитателями почвы являются 50-99% всех видов животных и на их долю приходится 60-90% наземной зоомассы. Число особей на единицу площади у некоторых групп достигает фантастических величин (до 1 млн. клещей, ногохвосток на 1 кв. м в лесных и луговых почвах). Причины высокого обилия различных представителей почвенного населения изложены в книгах М.С.Гилярова. Разные размерные группы животных неодинаково используют почву как среду обитания (М.С.Гиляров). Для микроскопических организмов средой обитания оказывается не вся почва, а система микрокапель, капилляров, гравитационной воды, скопления влаги на твердых частицах и между частицами. Когда в почве имеется капиллярная и гравитационная вода, простейшие и коловратки плавают в ней. Животные сохраняют жизнеспособность даже в пленочной воде, находясь в неподвижном состоянии, но не прекращая питания микроорганизмами, детритом, оказавшимися в тех же водяных пленках. Обитатели пленочной воды почв входят также в состав фауны грунтов пресноводных водоемов (Д.А.Криволуцкий). Хотя в почве распределение влаги неравномерное, «прерывистое», но общая поверхность различных форм воды столь велика, что ее можно считать специфическим водоемом, а микроскопических обитателей - физиологически водной экологической группой. Существенное значение для этих организмов имеют особенности почвенной влаги: реакция (рН), химический и газовый состав, наличие почвенных коллоидов, состав водорастворимых солей, особенности органического вещества и порового пространства. Для мелких членистоногих, называемых микроартроподами, среда обитания - это система ходов и полостей между частицами почвы и их агрегатами, почвенные трещины, ходы более крупных животных и корней, заполненные влажным воздухом. Условия жизни в почве этой группы животных М.С.Гиляров сравнивает с обитанием в насыщенных влагой пещерах. Передвижение обитателей таких пустот не отличается от передвижения по поверхности твердого субстрата. Они могут переживать периоды затопления почвы в отдельных пузырьках воздуха. Все сказанное позволяет считать их физиологически строго наземной экологической группой. Наибольшее значение для этой категории имеют степень порозности и влажности среды, характер распределения органических остатков и гумуса и температурный режим. Для крупных животных - беспозвоночных и позвоночных - почва представляет среду обитания в целом. Она выступает как рыхлый или плотный и даже твердый субстрат. Движение в плотных слоях почвы встречает большое сопротивление. Передвижение возможно либо по естественным скважинам для животных с тонким змеевидным телом, либо раздвигая частицы почвы, либо копая и прогрызая ходы. При этом животные всегда испытывают механическое воздействие ее твердой фазы и химические воздействия почвенного раствора через покровы, особенно в периоды переувлажнения или затопления почвы. Для крупных почвенных животных имеет значение вся совокупность свойств почвы как единого природного тела. Почва - это слой наземных биогеоценозов, где происходит разложение, минерализация и гумификация органического вещества. В ней встречаются все стадии разложения животных и растительных остатков: опавшие листья и начинающие гнить листья и корни растений, микроорганизмов. Все это резко расширяет спектр пищевых ресурсов видов и создает возможность одновременного сосуществования в почве животных с различными пищевыми предпочтениями. Широта условий жизни в почве делает ее средой, переходной между водной и наземной. Животные заселили подстилку и минеральные горизонты почвы благодаря специальным адаптациям к различным ее фазам. Расхождение в образе жизни различных размерных групп привело к формированию различных экологических групп - от физиологически водных до строго наземных. Разнообразие источников пищи также обусловило высокий уровень численности, разнообразие видов и экологических групп. Значение почвы в эволюции животного мира заключается в том, что почва рассматривается как среда, через которую животные могли перейти от водного образа жизни к наземному (М.С.Гиляров). Не менее значительным фактором, определяющим видовое богатство почвенной фауны и огромной ее биомассы по сравнению с обитателями других ярусов биогеоценозов, считается то, что животные используют дополнительный резерв белка - из микроорганизмов почвы, а не только от высшей растительности. И здесь не столь важны общие запасы органического вещества, сколько большие ресурсы доступного белка (Д.А.Криволуцкий, А.Д.Покаржевский). Международная система экологического мониторинга, созданная на основе рекомендаций I Международной конференции ООН в Стокгольме в 1972 г. как средство оценки качества окружающей среды и ее изменений (Криволуцкий, 1994), рассматривает биоразнообразие как один из основных показателей функционирования биоты, в том числе и почвенной. В биоиндикации и экотоксикологии почв чаще оценивают структуру населения, биоразнообразие и состояние популяций крупных почвенных беспозвоночных (Гиляров, 1965; Бутовский, 2001), для которых средой обитания является почва как целое. С другой стороны, обитатели почвенных полостей и пор (панцирные клещи, рогохвостки, энхитреиды) и обитатели пленок почвенной влаги (нематоды, простейшие) оказываются, в ряде случаев, в большей степени зависимы от действия антропогенных факторов (Криволуцкий, 1983). Интерес к почвенно-зоологическим исследованиям возрос в 40-50-е годы XX века. Выдающуюся роль в этом сыграли исследования академика М.С.Гиляров и созданной им первой в СССР лаборатории почвенной зоологии (1956), координировавшей исследования в стране. Биоиндикация антропогенных факторов - это определение биологически и экологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакций разных организмов и их сообществ (Д.А.Криволуцкий). Почвенная фауна оказывается более чутким индикатором изменений, чем растения, обладающие значительной инерцией по отношению к ним. Использование почвенных беспозвоночных в качестве индикаторных видов оправдано и потому, что наиболее чувствительные к антропогенному воздействию стадии их жизненного цикла проходят в почве: яйца, личинки, куколки. Животные, обитающие в верхнем слое почвы, благодаря тесной связи с ней и наличию ответной реакции на изменения среды обитания, представляют перспективный объект, позволяющий на разных стадиях антропогенной трансформации обнаружить отклонения в функционировании почвенного блока и природного комплекса в целом. Среди почвенных беспозвоночных по реакции на прямое либо опосредованное воздействие техногенного фактора выделены три группы: 1 - чувствительные, положительно реагирующие на умеренные дозы техногенного вещества (люмбрициды, немикроскопические энхитреиды, моллюски и диплоподы); 2 - чувствительные, испытывающие негативное влияние (литобиоморфные многоножки и герпетобионтные насекомые); 3 - индифферентные, не имеющие индикационного значения для данного типа загрязнения (большинство насекомых, развитие которых протекает в почве). Изменения биоты наземных экосистем могут прослеживаться на двух уровнях – видовом или ценотическом, когда происходит сокращение биологического разнообразия за счет выпадения отдельных таксонов, и ландшафтном, когда под воздействием антропогенных факторов наблюдается нивелирование различий между отдельными биогеоценозами или полная деградация некоторых из них. Вероятность проявления нежелательных последствий увеличивается адекватно росту степени воздействия, преломляясь через экологические параметры среды. При равных условиях окружающей природной среды (климат, почва) различия в численности и видовом разнообразии почвенных животных, снижение их жизненности указывают на присутствие загрязняющих веществ в почвенно-поглощающем комплексе. Методика и место исследования 1. Требования, определяющие условия применения данной работы а). Для оценки экологического состояния почвы не должны применяться сложные приборы и устройства. б). Методы биоиндикации применимы только в весенне-летний период. Это связано с увеличением жизненной активности животного мира в это время года. в). Организмы-биоиндикаторы, используемые для оценки экологического состояния почв должны были отвечать следующим требованиям: - биоиндикатор должен быть наиболее приспособлен к существованию в строго определенных условиях среды обитания (стенотопные виды), более редкие виды в биоценозах, как правило, являются лучшими индикаторами, нежели широко распространенные (эвритопные виды); - при работе был отдан приоритет более крупным видам биоценозов, так как они являются лучшими индикаторами по сравнению с мелкими, вследствие того, что скорость оборота последних в биоценозах, выше, и они могут не попасть в пробу в момент исследования; - отдано предпочтение численному соотношению разных видов, так как оно более показательно, нежели численность одного вида (относительные оценки всегда предпочтительнее абсолютных); - универсальность; чем в большем количестве различных почв распространен биоиндикатор, тем он более универсален; Для проведения биоиндикации использовалось следующие оборудование: штыковая лопата, пинцет, пленка полиэтиленовая, мешочки полиэтиленовые, нож, карандаши, блокнот, микрокалькулятор, фотоаппарат. Пробы по¬чвы взяты 25-29 мая 2017 года Методика основывается на различной способности почвенных беспозвоночных животных жить в загрязненной почве, где они находят необходимые для жизни кислород и питательные вещества минерального и органического происхождения. Оценка экологического состояния почвы с помощью беспозвоночных животных осуществляется путем сравнения данных биоиндикации экспериментальной и контрольной (или эталонной) территорий. Такими территориями являются лесопарковые зоны, государственные заказники, заповедники. Основным определяющим фактором является отсутствие источников загрязнения окружающей среды. В качестве контрольной зоны выбран участок Русского леса в районе с. Верхнерусского, который по нашему мнению не испытывает антропогенной нагрузки. Исследуемые территории расположены в лесных биоценозах окрестностей г. Михайловска. Одна из них на опушке Русского леса (№1), другая на территории лесополосы, в непосредственной близости от железной и автомобильной дорог (№2). По мере загрязнения почвы нефтепродуктами, тяжелыми металлами и другими веществами снижается показатель видового биоразнообразия. Видовое биоразнообразие – наиболее часто используемый показатель, учитывающий два компонента – видовое разнообразие (количество видов, наблюдаемых в естественных условиях обитания на определенной площади или объеме) и количественное распределение организмов по видам. Количественное видовое разнообразие (ВР) характеризуется с помощью индексов. В данной работе используется индекс Симпсона. Для проведения данной оценки необязательно использовать данные по всей фауне, можно ограничиться анализом характерных групп видов, по которым имеется надежная информация. Работа выявляет зоны экологических аномалий на местности с вероятной ошибкой не более 20 % (Чеснокова С. М., 2007). Величина погрешности гарантируется при соблюдении следующих норм биоиндикации: • количество площадок обследуемой местности биоиндикации не менее 5; • размер площадки биоиндикации почвенного покрова не менее 1 м2; • размер почвенной прикопки: 0,50 х 0,50 м и на глубину 0,25-0,30 м.
Выводы: территория №2, испытывающая большую антропогенную нагрузку, имеет меньшее значение относительного показателя видового биоразнообразия (77,0%), чем территория №1 (94%). Сравнив полученные значения показателей изменения видового биоразнообразия биоиндикаторов на исследуемых территориях с критерием, получаем соответствие экологической обстановки исследуемых территорий относительно удовлетворительной ситуации. Результаты исследования не противоречат нашим предположениям об экологическом состоянии почвенного покрова исследуемых территорий. Используемая методика может использоваться для оценки экологического состояния почвенного покрова.
Список литературы 1. Алексеев С.В., Беккер А.М. Изучаем экологию – экспериментально. Санкт-Петербург, 1993. 2. Гиляров М. С., Кривоулицкий Д. А.- Жизнь в почве. 3е-издание, Ростов-на-Дону, 2011. 3. Гиляров М.С. Зоологический метод диагностики почв. М.: Наука, 1965. 4. Криволуцкий Д. А. Почвенная фауна в экологическом контроле. 5. Мамаев Б. М., Бордукова Е. А. Энтомология для учителя. - М: Просвещение, 1985. 6. Плавильщиков Н. Н. Определитель насекомых. - М: Топикал, 1994. 7. Райков Б. Е., Римский - Корсаков. М. Н. Зоологические экскурсии. - М: Топикал, 1994.
