СПОСОБ БИОИНДИКАЦИИ ПАСТБИЩНОЙ ДЕГРАДАЦИИ В РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВАХ НАСТОЯЩИХ СТЕПЕЙ Российский патент 2010 года по МПК G01N7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к вопросам геоботаники, охраны окружающей среды, рационального природопользования и может быть использовано в процессах восстановления степной растительности под влиянием выпаса.

Изобретение предназначено для использования в полевых научно-исследовательских работах при исследовании состава, структуры и закономерностей распределения растительных сообществ настоящих степей под влиянием выпаса.

Пастбищная деградация - одна из форм проявления синантропизации растительного покрова (Горчаковский, Рябинина, 1984). В ходе этого процесса в составе растительных сообществ возрастает роль синантропных растений, к которым относятся как местные виды, так и инорайонные, активно внедряющиеся в состав естественных растительных сообществ, в связи с вмешательством человека в их жизнь и удерживающиеся в них до тех пор, пока сохраняются антропогенные нагрузки (Рябинина, 2003).

Задача степного природопользования и сохранения степного биоразнообразия определяется необходимостью оптимизации степного землепользования.

Таким образом, заявляемый способ предназначен для использования в полевых геоботанических исследованиях при оценке состояния почв и растительного покрова степей под влиянием выпаса.

Уровень техники

Известны различные методы геоботанических исследований.

Определение типа растительного сообщества (ассоциаций)

Классификация фитоценозов (В.Н.Сукачев, 1957).

Ассоциация - это совокупность фитоценозов, имеющих более или менее одинаковый внешний облик, сходный флористический состав и одни и те же доминирующие виды. Сходные ассоциации объединяют в группу ассоциаций. Формация - это совокупность ассоциаций, у которых в верхнем ярусе доминирует один и тот же вид растения.

Классификация, основанная на доминирующих видах.

Первый способ. Перечисляют названия доминирующих растений каждого яруса фитоценоза, начиная с самого верхнего яруса. При этом доминанты разных ярусов разделяют знаком тире, а доминанты одного и того же яруса соединяют знаком плюс. При такой системе название ассоциаций может выглядеть так: сосна обыкновенная + ель европейская - брусника + черника - мох плеуроциум.

Второй способ. Напоминает принцип, по которому дают названия рода и вида в систематике растений. Если в древесном ярусе леса господствует ель, а в травяно-кустарничковом покрове - кислица, то ассоциацию называют ельник кисличный. В том случае, когда в древостое присутствуют ель и сосна, но сосны больше, чем ели, это записывают как елово-сосняк (название господствующего растения ставят в конце). Если пользоваться латинскими наименованиями растений, название ассоциации будет иметь такой вид: Pinus sylvestris + Picea abies - Vaccinium vitis - idaea + Vaccinium myrtillus - Pleurozium schreberi. Примером названия по другому способу может быть Piceetum vacciniosum (ельник брусничный). Это название образуется из слов Picea (ель) и Vaccinium (название рода, к которому относится брусника). У первого слова отбрасывают окончание -а и добавляют -etum. У второго слова также отбрасывают окончание -um и добавляют -osum. В более сложном случае название ассоциации, записанное по данному способу, выглядит так: Piceeto-Pinetum vaccinioso-myrtillosum (елово-сосняк, бруснично-черничный). При этом к корню слова Picea добавляют -eto, а к корню слова Vaccinium - -oso. Формации называют по господствующему растению верхнего яруса фитоценозов - сосняки, ельники, березняки и т.д. По-латыни эти названия записывают таким образом: Pineta, Piceeta, Betuleta (к корню слов Pinus, Picea, Betula добавляют -eta). Иногда употребляют другие названия: формация сосны обыкновенной, формация костра безостого, формация осоки пузырчатой и т.д. Если записывать растения по-латыни, это будет формация Pinus sylvestris, формация Bromus inermis, формация Carex vesicaria. При классификации фитоценозов соблюдают строгое соподчинение единиц различного ранга. Единицы более высокого ранга (например, формации) подразделяют на единицы более низкого ранга (классы ассоциаций), а последние, в свою очередь, на единицы еще более низкого ранга (группы ассоциаций) и т.д. Соподчиненность единиц является обязательным элементом классификации фитоценозов.

Предлагаемый способ точен, но весьма трудоемок, длителен в исполнении при геоботанических исследованиях.

Классификация фитоценозов по Ж.Браун-Бланке (1918).

Существуют классификации фитоценозов, где за основу не берут доминирующие растения. Наиболее распространена во всем мире классификация такого рода, разработанная французским фитоценологом Ж.Браун-Бланке. Она основана на присутствии в фитоценозах определенных видов растений, которые называют характерными видами. Если в различных фитоценозах встречаются те же самые характерные виды, эти фитоценозы относят к одной и той же классификационной единице. Низшей единицей является ассоциация, далее идут союз, порядок, класс. Названия всех этих единиц даются только по-латыни. В их основе обычно лежат латинские названия каких-либо растений (например, Fraxinus, Fagus, Quercus и т.д.). Классификационные единицы разного уровня различаются по окончаниям слов. Так, название ассоциации имеет окончание -etum (например, Fraxinetum), союза -ion (например, Fagion), порядка -etalia (например, Fagetalia), класса -etea (например, Quercetea). Чтобы дать более конкретное представление о классификации по Браун-Бланке и соподчинении выделенных единиц, приведем один пример. При классификации лесной растительности выделяют различные ассоциации, в том числе Dicrano-Pinetum. Название этой ассоциации происходит от слов Dicranum (латинское название одного из родов зеленых мхов) и Pinus (латинское название рода сосна). Для этой ассоциации характерны следующие виды растений: мох дикранум многощетинковый (Dicranum polysetum), зимолюбка зонтичная (Chimaphila umbellata), плаун булавовидный (Lycopodium clavatum) и некоторые другие. Данная ассоциация входит в союз Pinion, для которого характерны толокнянка (Arctostaphylos uva-ursi), гудьера ползучая (Goodyera repens), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), грушанка зеленоцветковая (Pyrola chlorantha). Рассматриваемый союз входит в порядок Pinetalia, а тот в свою очередь - в класс Vaccinio-Piceetea.

Недостаток метода в том, что названия ассоциаций, союзов и других единиц классификации в системе Ж.Браун-Бланке являются чисто условными обозначениями. По ним далеко не всегда можно представить себе то конкретное растительное сообщество, о котором идет речь. Ведь в название сообщества могут не входить доминирующие растения при биоиндикации пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей.

Широкое применение в экологических и фитоценотических исследованиях находит классификация жизненных форм, разработанная датским ботаником К.Раункиером (1934). В основу ее положена идея, что сходные типы приспособлений растений к среде - это, прежде всего, сходные способы перенесения наиболее трудных условий. Действительно, благоприятные условия в целом благоприятны для всех растений (за исключением случаев резкого сдвига экологических оптимумов в особых условиях) и не требуют особых приспособлений. Адаптивные же изменения связаны, главным образом, с преодолением условий, лежащих за пределами оптимальных. В областях с сезонной периодичностью климата такие трудные для растений условия наступают в основном в осенне-зимний сезон, а в аридных областях - еще и в период летних засух. Отсюда основное сходство приспособлений растений к среде должно заключаться в сходстве способов перенесения неблагоприятного периода года. К. Раункиер для классификации жизненных форм растений выбрал только один признак, но имеющий большое приспособительное значение: положение почек или верхушек побегов в течение неблагоприятного времени года по отношению к поверхности почвы и снегового покрова.

Классификация жизненных форм растений (по Раункиеру, 1934):

а) Фанерофиты - сравнительно крупные растения, у которых почки возобновления расположены высоко над землей (деревья, кустарники: калина обыкновенная, липа мелколистная, жимолость татарская, крушина ломкая), Viburnum opulus L., Tilia cordata Mill, Lonicera tatarica L., Frangula alnus Mill.

б) Хамефиты - низкорослые растения с зимующими надземными побегами и с почками возобновления, расположенными невысоко над поверхностью земли (реже на поверхности). Сюда относятся, в основном, кустарнички (брусника, черника), но, кроме того, и некоторые травянистые растения (барвинок, можжевельник казацкий, ежевика сизая, полынь солянковидная, полынь высокая), Juniperus sabina L., Rubus caesius L., Artemisia salsoloides Willd, Artemisia procera Willd.

в) Гемикриптофиты - травянистые многолетники, у которых надземные органы в конце вегетации отмирают, а почки возобновления, развивающиеся на живых подземных органах, находятся на уровне почвы и защищены подстилкой и снегом. Эта группа широко распространена в луговых, степных и лесных растительных сообществах (астрагал яйцеплодный, астрагал крымский, ковыль Лессинга, типчак), Astragalus testiculatus Pall, Astragalus tauricus Pall, Stipa lessingiana Trin.et Rupr, Festuca valesiaca Gaudin.

г) Криптофиты - растения, у которых почки возобновления располагаются под землей. Сухопутные криптофиты называются также геофитами. По характеру подземных органов различают луковичные геофиты (тюльпан Биберштейна), клубневые (цикламены), корневищные (ландыш майский), корневые (вьюнок полевой, зопник клубненосный), Phlomis tuberosa L., Tulipa biebersteiniana Schult. et Schult. fil, Convallaria majalis L., Convolvulus arvensis L.

д) Терофиты - однолетние растения, переживающие неблагоприятный период в виде семян, находящихся в почве или на ее поверхности. Они хорошо представлены в степях и особенно пустынях, немногие встречаются в лесах (некоторые виды марьянников, пастушья сумка, дескурайния Софьи, ярутка полевая, гулявник Лезеля), Capsella bursa - pastoris (L.) Medik, Descurainia sophia (L.) Webbe ex Prantl, Thlaspi arvense L., Sisymbrium loeselii L.

Недостаток метода в том, что признак (положение почек) является частным и дает субъективную оценку при биоиндикации пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей.

При исследовании растительной массы, получаемой на пастбищах, учитываются: общий характер фитоценоза, абсолютная продукция, абсолютный запас растительной массы, ботанический состав фитоценоза, в частности, количество растений, хуже и лучше поедаемых скотом, растений, не поедаемых и ядовитых, сроки использования угодья, способ выпаса, вид выпасаемого животного. Существуют упрощенные методы оценки состава травостоя (Ларин, 1967). Скошенный образец в лаборатории делят на 10 равных частей. Долю каждой части оценивают в 10 баллов. Эти 10 баллов распределяют на глаз между видами, входящими в состав данной части. Так как частей 10 и каждая часть оценена в 10 баллов, общее число баллов составляет 100. Поэтому, складывая количество баллов, полученных каждым видом по всем десяти частям образца, получают процентное участие данного вида в травостое. Этот метод дает достаточно точные результаты. Важно определить коэффициент рационального использования так называемых ключевых видов, которые дают поедаемый и питательный корм, встречаются чаще других видов, имеют повышенный коэффициент рационального использования и служат индикаторами утилизации данной площади. Емкость пастбища рассчитывают по формуле

Е - емкость пастбища, А - количество растительной массы в период использования пастбища (кг/га), Б - коэффициент рационального использования, В - площадь пастбища (га), П - суточная потребность в корме одной головы данного вида скота (кг).

Недостатком данного метода является достаточно высокая трудоемкость и затратность, так как требует точных данных при учете количества растительной массы в период использования пастбища, что очень сложно проводить в условиях полевых геоботанических исследований.

Все эти недостатки заставляют искать более доступный, легкий в исполнении способ биоиндикации пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей.

Новизной заявляемого способа является то, что впервые в процессе пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей выявлены виды - индикаторы, по которым можно разработать рекомендации по оптимизации степного землепользования и рациональному использованию степей Южного Урала.

Подводя итог данному разделу описания изобретения, следует указать, что заявляемый способ не известен из уровня техники, т.е. является новым.

Сущность изобретения.

Основной задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является повышение точности и быстроты определения пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей. Используемое техническое решение предлагается впервые в геоботанических исследованиях (маршрутных рекогносцировочных, детально-маршрутных, стационарных), т.к. в качестве определения пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей выделены виды - индикаторы, а именно предлагается использовать определенные виды растений, доминирующие в пастбищном режиме степной растительности.

Решение поставленной задачи стало возможным благодаря тому, что в настоящее время накоплено достаточно данных о том, что в зависимости от физико-географических условий определенного региона, района, провинции в растительных сообществах степей, подвергшихся пастбищной деградации преобладают различные виды - индикаторы.

Все это позволило предположить, что в растительном покрове степей, подвергшихся пастбищной деградации в Оренбургской области, в разных стадиях дегрессии будут доминировать определенные виды - индикаторы.

Опытное обоснование видов - индикаторов в растительных сообществах настоящих степей, подвергшихся пастбищной деградации в Оренбургской области.

Изучение видового состава сосудистых растений степных сообществ, подвергшихся пастбищной деградации Оренбургской области, позволило определить виды - индикаторы для выявления закономерностей восстановления степного биоразнообразия и оптимизации степного природопользования. Результаты выявленных индикаторных видов представлены ниже.

Сущностью заявляемого способа, сформулированного на основе геоботанических исследований в Оренбургской области по изучению видового состава сосудистых растений, растительного покрова степей, подвергшихся пастбищной деградации, является следующее:

- виды - индикаторы пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей являются наиболее информативным параметром, позволяющим осуществлять геоботанический мониторинг растительности по оптимизации степного землепользования.

Соответственно, при реализации заявляемого способа оценки видов растений по отношению к пастбищному режиму, встречающихся в степных сообществах, представляется следующим образом. На первом этапе проводится общая геоботаническая характеристика обследуемой территории. Получают материалы, характеризующие главные черты флоры и растительного покрова, выделяются районы, различные в геоботаническом отношении.

На втором этапе проводится полная флористическая и фитоценологическая характеристика степной растительности, подвергшаяся пастбищной деградации, которая сопровождается картой их размещения и количественным учетом занятых ими площадей.

Для этого должна быть заложена серия маршрутов по изучаемой территории и проведено их сплошное и равномерное обследование. На геоботанической карте должна быть детальность и достоверность технического отображения выделенных в природе контуров, определенная степень полноты изучения растительного покрова в поле.

Составляются геоботанические карты масштаба от 1:10000 до 1:50000. Должна быть заложена густая сеть маршрутов со средним отстоянием друг от друга от 200 до 1000 м, почти каждый выделенный контур посещается в натуре и характеризуется полным или сокращенным описанием. Отчетливо показываются ассоциации или группы ассоциаций; стадии смен коренных фитоценозов, происходящие под влиянием как естественных причин, так и антропогенных факторов.

На третьем этапе проводится анализ флоры степей, подвергшихся пастбищной деградации и выявляются виды, являющиеся индикаторами пастбищного режима в степных сообществах. Исследования производятся на небольших площадях и охватывают специально выбранные и наиболее характерные для данной территории фитоценозы; они должны отражать как зональные особенности территории, так и типичные для нее экологические варианты растительных сообществ. При выборе пробных площадей должны учитываться следующие признаки: сходный характер рельефа, однородность почвообразующей горной породы, почвы, залегание грунтовых вод, сходство растительного покрова по составу, строению, физиономичности, однородности по своей культурной истории и состоянию (расчистка из-под леса, пастбище определенной степени использования). При этом пробная площадь должна отличаться от площадей смежных фитоценозов, отличия должны быть хорошо экологически объяснимыми, закономерными.

Для определения размера пробной площади необходимо учитывать, что

а) пробная площадь должна быть не меньше площади выявления;

б) чтобы чрезмерно не увеличивать трудоемкость работ, эта площадь не должна превышать размеров, гарантирующих принятую точность исследований. Травяная растительность степей 10×10 м² (1 ар). Для повышения точности описания видов нужно разделить пробную площадь на четыре отдельно учитываемых квадрата, внутри которых по отдельности составляется описание и определяется обилие видов.

Видами - индикаторами, сокращающими свое обилие под влиянием выпаса, являются: Stipa lessingiana, S.rubens, Diantus uralensis, Thymus guberlinensis, Clausia aprica, Onosma simplicissima (ковыль Лессинга, ковыль красный, гвоздика уральская, тимьян губерлинский, клаузия солнцепечная, оносма простейшая).

Видами - индикаторами, безразлично относящимися к выпасу, являются:

Astragalus tauricus, A.testiculatus, Potentilla humifusa (астрагал узколистный, астрагал яйцеплодный, лапчатка распростертая).

Видами - индикаторами, увеличивающими свое обилие под влиянием выпаса, являются: Artemisia austriaca, Ceratocarpus arenarius, Polygonum aviculare. Androsace turczaninovii, Echinopsilon sedoides (полынь австрийская, рогач песчаный, горец птичий, проломник наибольший, бассия очитковидная).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Опытное обоснование факта видов-индикаторов в растительном покрове степей, подвергшихся пастбищной деградации в Оренбургской области, осуществлялось на основе геоботанического мониторинга растительности степей с. Спасское, с. Черкассы, с. Красногоры, с. Васильевка, с. Надеждинка, с. Желтое, с. Новочеркассы, с. Черный Отрог Саракташского района, с. Претория Переволоцкого района, с. Илек, с. Чесноковка Илекского района, с. Матвеевка, с. Марьевка Матвеевского района, с. Перовка Грачевского района, с. Песочное Шарлыкского района, с. Караганда Домбаровского района, с. Еленовка Ясненского района, с. Таналык, с. Уртазым Кваркенского района, с. Акжар Адамовского района, п.Светлый Светлинского района.

На основе флористического и фитоценологического анализов следует сделать заключение о том, что видами - индикаторами, сокращающими свое обилие под влиянием выпаса, будут ковыль Лессинга, ковыль красный, гвоздика уральская, тимьян губерлинский, клаузия солнцепечная, оносма простейшая; безразлично относящиеся к выпасу - астрагал узколистный, астрагал яйцеплодный, лапчатка распростертая; видами - индикаторами, увеличивающими свое обилие под влиянием выпаса, представлены: полынь австрийская, рогач песчаный, горец птичий, проломник наибольший, бассия очитковидная.

В заключении следует отметить, что виды - индикаторы степных растительных сообществ, подвергшихся пастбищной деградации, являются наиболее информативным параметром, позволяющим осуществлять геоботанический мониторинг растительности по оптимизации степного землепользования.

Источники информации

1. Алехин В.В. Методика полевого изучения растительности и флоры. М.: Наркомпрос, 1938, с.208.

2. Алехин В.В. Теоретические проблемы фитоценологии и степеведения. М.: Наука, 1986, с.600.

3. Горчаковский П.Л., Рябинина З.Н. Степи южной части Оренбургской области / Урало-Илекское междуречье / В кн.: Растительные сообщества Урала и их антропогенная деградация. Свердловск: АН СССР. Уральский научный центр, 1984, 3-64 с.

4. Дзыбов Д.С. Основы биологической рекультивации нарушенных земель. Метод указания. Ставрополь: 1994, с.58.

5. Казанская Н.С. Классификация антропогенных модификаций растительности с применением ординационного метода. Л.Г.Раменского. М.: 1975, с.180.

6. Корчагин А.А. Строение растительных сообществ. В кн.: Полевая геоботаника, т.5, 1976, 7-313 с.

7. Лавренко Е.М. Степи СССР. В кн.: Растительность СССР. М: изд. АНСССР,т.2, 1940, 1-266 с.

8. Ларин И.В. Улучшение природных сенокосов и пастбищ. М.: Знание, 1967, с.160.

9. Работнов Т.А. Фитоценология. М.: Изд. МГУ, 1983, с.296.

10. Раменский Л.Г. Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование земель. М.: Сельхозгиз, 1938, с.431.

11. Раменский Л.Г. Избранные работы. Проблемы и методы изучения растительного покрова. Л.: Наука, 1977, с.334.

12. Рябинина З.Н. Конспект флоры Оренбургской области. Екатеринбург: 1998, с.163.

13. Рябинина З.Н. О регенерации целинных степей в Оренбуржье. В кн.: Тезисы докладов научно-практической конференции, посвященной 40-летию освоения целины. Оренбург: ВННИМС, 1994, 55-75 с.

14. Рябинина З.Н. Растительность и растительные ресурсы степной зоны Оренбургской области. В кн.: География, экономика и экология Оренбуржья. Оренбург: 1993, 63-64 с.

15. Рябинина З.Н. Растительный покров степной зоны Южного Урала (Оренбургская область). Оренбург; 2003, с.400.

16. Рябинина З.Н. Степная растительность Урало-Илекского междуречья, ее антропогенные изменения и пути охраны // Автор дисс. Канд. биолог. Наук. Свердловск: 1981, с.25.

15. Семенова-Тянь-Шанская A.M. Восстановление растительности на степных залежах. Ботанический журнал, т.38, №6, 1953, 862-873 с.

18. Серебряков И.Г. Жизненные формы высших растений и их изучение. В кн.: Полевая геоботаника, т.3. М.;Л.: 1964, 146-202 с.

19. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. С.318.

20. Сукачев В.Н. Растительные сообщества. М.: Книга, 1957, с.232.

21.Танфильев В.Г. Целинные степи Ставропольского края. Ботанический журнал, т.56, №5, 1971, 692-701 с.

22. Хомутова М.С. Растительность Зауралья Чкаловской области. Дисс. Канд. - биолог. Наук МГПУ им. В.И.Ленина, каф. ботаники, 1956, с.443.

23. Шенников А.П. Введение в геоботанику. Л.: Изд. ЛГУ, 1964, с.447.

24. Шенников А.П. Экологические группы растений. М.: Наука, 1964, с.238.

25. Юнатов А.А. Типы и содержание геоботанических исследований.

Выбор пробных площадей и заложение экологических профилей. В кн.: Полевая геоботаника, т.3. М.; Л.: Наука, 1964, 9-36 с.

26. Ярошенко П.Д. Геоботаника. М.; Л.: 1961, с.474.

Изобретение относится к вопросам геоботаники, охраны окружающей среды, рационального природопользования и может быть использовано в биоиндикации процессов восстановления растительности степей после пастбищной деградации. Способ характеризуется тем, что определяют появление в фитоценозах определенных видов растений: виды - индикаторы, сокращающие свое обилие под влиянием выпаса - Ковыль Лессинга (Stipa lessingiana), Ковыль красный (Stipa rubens), Гвоздика уральская (Diantus uralensis), Тимьян губерлинский (Thymus guberlinensis), Клаузия солнцепечная (Clausia aprica), Оносма простейшая (Onosma simplicissima); виды - индикаторы, безразлично относящиеся к выпасу - Астрагал узколистный (Astragalus tauricus), Астрагал яйцеплодный (Astragalus testiculatus), Лапчатка распростертая (Potentilla humifusa); виды - индикаторы, увеличивающие свое обилие под влиянием выпаса, - Полынь австрийская (Artemisia austriaca), Рогач песчаный (Ceratocarpus arenarius), Горец птичий (Polygonum aviculare), Проломник наибольший (Androsace turczaninovii), Бассия очитковидная (Echinopsilon sedoides). Обеспечивается повышение точности и быстроты определения пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей.

Способ биоиндикации пастбищной деградации в растительных сообществах настоящих степей, основанный на появлении в фитоценозах определенных видов растений:
Ковыль Лессинга (Stipa lessingiana), Ковыль красный (Stipa rubens), Гвоздика уральская (Diantus uralensis), Тимьян губерлинский (Thymus guberlinensis), Клаузия солнцепечная (Clausia aprica), Оносма простейшая (Onosma simplicissima) - виды-индикаторы, сокращающие свое обилие под влиянием выпаса;
Астрагал узколистный (Astragalus tauricus), Астрагал яйцеплодный, (Astragalus testiculatus), Лапчатка распростертая (Potentilla humifusa) - виды-индикаторы, безразлично относящиеся к выпасу;
Полынь австрийская (Artemisia austriaca), Рогач песчаный (Ceratocarpus arenarius), Горец птичий (Polygonum aviculare), Проломник наибольший (Androsace turczaninovii), Бассия очитковидная (Echinopsilon sedoides)" - виды-индикаторы, увеличивающие свое обилие под влиянием выпаса.