Фитоиндикационные шкалы – инструмент экологических исследований

«Индикация – это, когда мы смотрим на то, что видим то, и видим то, что не видим» (С.В. Викторов о сущности индикации).

Индикация как направление научных исследований развивается в географии, гидрогеологии, инженерной геологии, геоботанике, экологии. Индикационный подход применяется в тех случаях, когда требуется в ограниченный отрезок времени получить информацию о состоянии системы. Например, врач может оценить состояние больного всего лишь по одному показателю – температуре тела. Таким образом, сущность индикационного подхода заключается в определении состояния одной системы по состоянию других систем, более доступных для исследования и измерения. Исследуемые системы и называют индикаторами.

Солянка (Salsola kali) – индикатор засоления почв

Одним из широко распространенных направлений в индикации является биоиндикация. Биоиндикация – оценка состояния среды по биосистемам (живой организм, популяция, сообщество, экосистема). Биосистемы, которые используются для оценки состояния среды, называют биоиндикаторами.

Многообразие методов биоиндикации отражает схема Я.П. Дидуха (2012):

Оценка состояния среды по растениям – фитоиндикация. Основные направления современной фитоиндикации следующие:

1) фитоиндикация на ценопопуляционном уровне (индикаторами выступают различные показатели ценопопуляций растений – возрастной спектр, морфологические параметры, жизненность и т.д., которые изменяются в зависимости от условий среды);

2) фитоиндикация на основе фитоиндикационных (экологических) шкал или индикаторных групп видов;

3) сининдикация, т.е. фитоиндикация на основе использования растительных сообществ (синтаксонов).

Фитоиндикационные или экологические шкалы – это таблицы, в которых приводятся характеристики экологии видов растений, на основе которых проводится оценка условий среды.

Одним из первых метод фитоиндикации, основанный на использовании видового состава растительности, разработал и успешно применил Л.Г. Раменский (Раменский и др., 1956). Для каждого вида растений был выведен эмпирический интервал распределения по градиентам среды (увлажнению, богатству почв, пастбищной дигрессии, переменности увлажнения и т.д.), а затем каждое сообщество (описание) по определенной методике экологически интерпретировалось на основе информации, которую несут в себе входящие в него виды.

Аналогичные шкалы, но на основе других принципов составления, несколько позже Л.Г. Раменского, разработали другие геоботаники – Г. Элленберг (Ellenberg, 1974, 1988), Э. Ландольт (Landolt, 1977), Д.Н. Цыганов (Цыганов, 1983), Р. Хундт, Р. Клапп и т.д. В целом, фитоиндикация по указанным шкалам дает схожие результаты.

Все фитоиндикационные (экологические) шкалы делят на две группы:

1) диапазонные (шкалы Раменского и Цыганова);

2) точечные (шкалы Элленберга, Ландольта).

Первые указывают экологический диапазон вида по тому или иному фактору среды, вторые – координату вида на оси фактора среды. Диапазон или координата виды оценивается в относительных условных единицах – баллах.

Балловые оценки рассчитываются для каждого геоботанического описания. При использовании точечных шкал итоговая балловая оценка по некоторому фактору вычисляется как среднее значение из балловых оценок всех видов по этому фактору, взвешенное на обилие видов. По диапазонным экологическим шкалам расчет может осуществляться следующими способами: 1) экстремальных границ, 2) пересечения большинства интервалов, 3) средневзвешенной середины интервала. Два первых способа используются при расчетах по шкалам Раменского, а третий - по шкалам Цыганова. Шкалы с небольшим числом градаций лучше использовать для анализа крупных и весьма неоднородных выборок. Чем больше градаций содержит шкала, тем детальнее экологическая оценка местообитания.

Наиболее широко применяются экологические шкалы Г. Элленберга, разработанные для европейской растительности (Ellenberg, 1974). Шкалы Элленберга считаются наиболее полными и совершенными, они постоянно уточняются и обсуждаются. Выполнен корреляционный анализ оценок, полученных по шкалам, и результатов, полученных непосредственными измерениями рН, уровня грунтовых вод.

Шкалы Элленберга: F –  увлажнение почв (12 классов); N – богатство почв азотом (9); R – кислотно-щелочные условия (рН) почв (9); L – освещенность/затенение (9); T – термоклиматическая (9); К – континентальность климата (9); S – засоление (3). Охватывают 2,5 тысячи видов сосудистых растений. http://geoecograph.blogspot.com/2015/02/Fitoindikacija-jekologicheskie-shkaly-ellenberga.html

Например, шкала R – Reaction (pH почв или вод) имеет вид:

1 – индикаторы экстремальной кислотности, никогда не растут на слабокислых или нейтральных почвах (Andromeda polifolia, Lycopodium clavatum и др.);

2 – промежуточная группа (Calluna vulgaris, Drosera rotundifolia, Polygala serpyllifolia);

3 – индикаторы сильнокислых почв (Agrostis vinealis, Pteridium aquilinum);

Булавоносец седой (Corynephorus canescens) – индикатор сильнокислых почв (R=3)

4 – промежуточная группа (Carex panicea, Juncus effusus);

5 – индикаторы среднекислых почв, но могут встречаться на сильнокислых и нейтральных (Cardamine pratensis, Cirsium palustre, Rubus idaeus);

6 – промежуточная группа (Carex sylvatica, Lolium perenne);

7 – индикаторы слабокислых и слабощелочных почв, никогда не встречаются на сильнокислых почвах (Agrimonia eupatoria, Atriplex prostrata, Nuphar lutea, Phleum pratense);

8 – промежуточная группа (Artemisia vulgaris, Carduus nutans);

9 – щелочных почв (Bunium bulbocastanum, Clinopodium calamintha).

Полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris) – индикатор нейтральных 

и слабощелочных почв (R=8)

Чертополох курчавый (Carduus crispus) – индикатор нейтральных 

и слабощелочных почв (R=8)

Шкалы Ландольта позволяют оценить увлажнение почв, кислотно-щелочные условия (рН) почв, богатство почв азотом, трофность почв, степень гранулированности почв, освещенность или затенение, термоклиматические условия, континентальность климата. Все шкалы имеют по 5 классов. Содержат характеристики более 3400 видов (Landolt, 1977).

Шкалы Цыганова, составленные для лесной зоны умеренного пояса Евразии, включают 2,3 тысячи видов и позволяют оценивать большой набор экологических факторов. Шкалы Цыганова:  Tm – термоклиматическая;  Kn – континентальности климата; Om – аридности/гумидности климата; Cr – криоклиматическая; Hd – увлажнения почв; Tr – трофности почв (содержание солей); Nt –  богатства почв азотом; Rc – кислотно-щелочные условия (рН) почв; Lc – освещенности/затененности; fH – переменности увлажнения. Число классов в них колеблется от 9 до 23 (Цыганов, 1983).

Шкалы Раменского включают 120 ступеней увлажнения, 20 – переменности увлажнения, 30 – активного богатства и засоленности почвы, 10 – аллювиальности (мощности наилка), 10 – пастбищной дигрессии (Раменский и др., 1956). Эти шкалы, разработанные для луговодства, наиболее детальны из всех имеющихся шкал такого рода: диапазоны значений экологических факторов указаны для разных значений проективного покрытия конкретных видов, значения показателей для широко распространенных видов приведены отдельно для разных физико-географических зон.

Очиток едкий (Sedum acre L.) – индикатор бедных и сухих почв

Лопух большой (Arctium lappa L.) – индикатор богатых азотом почв

В течение последних 10 лет шкалы Элленберга, Цыганова и частично Ландольта были апробированы мной в условиях ландшафтов Беларуси при решении различных задач:

1. Фитоиндикация инженерно-геологических процессов:

Гусев А.П. Фитоиндикаторы инженерно-геологических процессов на территории города // Природные ресурсы, 2006. – №3. – С. 33-40.

Гусев А.П. Фитоиндикация влажности почвогрунтов на городской территории (на примере г. Гомеля) // Природные ресурсы. – 2007. – №2. – С. 104-109.

Гусев А.П. Фитоиндикация эродированности почвенного покрова (на примере Белорусского Полесья) // Природные ресурсы, 2007. - №3. – С. 87-94.

На рисунке изменение азотного богатства почв (шкала N Элленберга) по градиенту эродированности почв.

Фитоиндикация эродированности почв

На рисунке изменение кислотно-щелочных условий (шкала R Элленберга) по градиенту эродированности почв.

Фитоиндикация эрозированности почв

Далее – изменения содержания гумуса (шкала Hu Ландольта) по градиенту эродированности почв.

Фитоиндикация эродированности почв

2. Изучение изменения экологических условий в ходе сукцессии:

Гусев А.П. Особенности начальных стадий восстановительной сукцессии в антропогенном ландшафте (на примере юго-востока Белоруссии) // Экология. – 2009. – №3. – С. 174-179.

Гусев А.П. Изменение экологических условий в ходе восстановительной сукцессии растительности в широколиственно-лесном ландшафте (на примере Полесской провинции, Белоруссия) // Сибирский экологический журнал, 2009. – №5. – С. 649-656. http://geoecograph.blogspot.com/2014/06/Change-of-Ecologic-Conditions-in-Progressive-Succession.html

3. Фитоиндикация экологических условий в антропогенных ландшафтах:

Гусев А.П., Шпилевская Н.С. Анализ рудеральных сообществ городского ландшафта на основе применения фитоиндикационных шкал Элленберга // Вестник ВГУ. – 2007. - №3 (45). – С. 138-142.

Гусев А.П., Шпилевская Н.С. Фитоиндикация экотопов урболандшафта с помощью экологических шкал Элленберга // Современные экологические проблемы устойчивого развития Полесского региона и сопредельных территорий: наука, образование, культура: материалы 3-й междунар. науч.-практ. конф., Мозырь, сентябрь 2007 г.: в 3 ч. – Мозырь: УО «МГПУ им. И.П. Шамякина», 2007. – Ч.1. – С. 86-88.

Гусев А.П., Шпилевская Н.С. Некоторые особенности экологических режимов почв антропогенных ландшафтов (на основе применения фитоиндикационных шкал) // Современное состояние растительного и животного мира стран еврорегиона «Днепр», их охрана и рациональное использование: Материалы междунар. науч.-практ. конф., Гомель, 14-16 ноября 2007 г. – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2007. – С. 95-98.

Гусев А.П. Градиентный анализ рудеральных сообществ на основе применения экологических шкал Г. Элленберга // Современное состояние растительного и животного мира стран еврорегиона «Днепр», их охрана и рациональное использование: Материалы междунар. науч.-практ. конф., Гомель, 14-16 ноября 2007 г. – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2007. – часть 2. - С. 55-59.

Кислотно-щелочные условия экотопа (шкала R Элленберга) рудеральных сообществ на юго-востоке Беларуси.

Влажность экотопа (шкала F Элленберга) рудеральных сообществ на юго-востоке Беларуси. Видно, что, например, сообщество Lamio albi-Conietum maculate индицирует влажные почвы, а сообщество Echio-Melilotetum albae – почвы с недостаточным увлажнением.

Фитоиндикационные шкалы можно найти в следующих книгах:

Раменский Л.Г., Цаценкин И.А., Чижиков О.Н., Антипов Н.А. Экологическая оценка кормовых угодий по растительному покрову. - М.: Сельхозгиз, 1956. 472 с.

Цыганов Д.Н. Фитоиндикация экологических режимов в подзоне хвойно-широколиственных лесов. М.: Наука, 1983. 196 с.

Ellenberg H. Zeigerwerte der Gefasspflanzen Mitteleuropas. – Gottingen: Goltze, 1974. – 97 S.

Ellenberg H., Weber H.E., Dull R., Wirth V., Werner W., Paulisen D. Zeigerwerte von Pflanzen in Mitteleuropa// Scripta Geobotanica, 18, 1991. – S. 9-166.

Landolt E. Okologische Zeigerwerts zur Sweizer Flora. - Veroff. Geobot. Inst. ETH. Zurich. 1977. H.64. – S. 1-208.

Дiдух Я.П. Основи бiоiндикацiï. – Киïв: Наукова думка, 2012. – 360 с.