Индикационные исследования

Индикационные исследования проводятся с целью выяснения таких связей растительности с экологическими условиями, которые могут быть использованы для составления индикационных карт. Для этого необходимо установить как сами связи, так и их тесноту, которая позволит оценить степень достоверности индикации. Изучение индикационных связей проводится путем исследования ключевых участков, а также всей изучаемой территории. Ключевой участок - это определенным образом выбранная наименьшая площадь, на которой с достаточной полнотой представлены интересующие объекты и которая избирается в качестве типичной для проведения комплекса полевых исследований. Следовательно, ключевым называют участок, характеризующий типичное, постоянно повторяющееся в данном районе сочетание нескольких растительных сообществ совместно с типичными условиями рельефа, почв и других компонентов физико-географической среды. На ключевых участках ведется детальное изучение всех физиономических особенностей фитоценозов обычными методами геоботанических полевых исследований, одновременно исследуются горные породы, подземные воды и почвы.

Цель этих работ - выявить индикаторы тех или иных объектов в пределах изучаемой территории. Для этого в каждом изучаемом сообществе описывается большое число (не менее 50) пробных площадок, делаются почвенные разрезы, отбираются пробы почв, делается неглубокое бурение до уровня грунтовых вод, отбираются и анализируются их образцы, а также и образцы материнских почвообразующих пород. После завершения работ на ключевых участках выявленные закономерности обязательно проверяются в контрольных маршрутах по району работ. После сбора индикационных данных важнейшими задачами являются выявление и оценка индикаторов. Суть оценки индикатора заключается в количественном определении его сопряженности с объектом индикации путем статистической обработки полученных данных. При изучении сопряженности индикатора с объектом индикации мы имеем дело с двухмерным альтернативным распределением, при котором совпадение или несовпадение двух признаков оцениваются в альтернативной форме: есть - нет. Возможные сочетания этих признаков исчерпываются такими случаями (табл. 3).

Таблица 3

Оценка тесноты связи может определяться с помощью различных коэффициентов сопряженности - коэффициентов Фордеса, Юла, Пирсона. Одним из наиболее простых является коэффициент Дайса, сходный с коэффициентом достоверности С. Викторова:

Оценка достоверности дается на основе процентного соотношения случаев, в которых исследуемый индикатор и индикат встречены совместно, и тех, в которых индикатор встречен без индиката; общее число исследованных пробных площадок принимается за 100%.

На основе этого коэффициента С. Викторовым, Е. Востоковой, Д. Вышивкиным разработана широко используемая шкала (табл. 4), позволяющая сравнивать индикаторы по степени их достоверности.

Таблица 4

Абсолютные индикаторы редки. Наиболее часто используются верные и удовлетворительные индикаторы.

Более полно связь индикатора с объектом индикации может быть оценена с помощью коэффициента Коула, характеризующего отношение действительного отклонения от математического ожидания к максимально возможному числу встреч индикатора на объекте индикации при их независимом распределении. В случае положительной сопряженности, т. е. при ad>bc, расчет ведется по формуле:

в случае отрицательной сопряженности формула Коула записывается таким образом:

1) при a≤d, т. е. когда число совместных встреч индикатора и индиката меньше или равно числу случаев, когда нет ни того, ни другого:

2) при a>d

Оценки достоверности индикаторов меняются от одного региона к другому. Поэтому индикационные закономерности, выявленные для одной физико-географической области, нельзя механически переносить на другую.

Установление индикаторов и выявление индикационных закономерностей в изучаемом регионе позволяют перейти к следующему этапу исследований - построению индикационных схем. Индикационными схемами называются таблицы, в которых указаны индикаторы и соответствующие им индикаты. Их обычно составляют для отдельных крупных регионов. Кроме региональных индикационных схем, существуют индикационные геоботанические справочники, охватывающие целые зоны, подзоны или какие-либо типы ландшафтов. Примером может служить приведенная ниже гидроиндикационная схема А. Бахиева (табл. 5), показывающая связь растительности с засолением глубоких горизонтов почв в дельте Амударьи.

Индикационные схемы служат легендой для составляемых на основе геоботанической съемки индикационных карт.

Таблица 5

Индикационные карты.Индикационными называются геоботанические карты, отражающие связь растительности с экологическими условиями и позволяющие использовать растительные сообщества для индикации этих условий. Наиболее распространенными видами индикационных карт являются: 1) карты отдельных свойств почв и материнских почвообразующих пород (карты механического состава, карты засоления и других свойств); 2) гидроиндикационные карты; 3) карты распространения различных процессов (природных и антропогенных) и 4) карты перспектив сельскохозяйственного освоения территорий.

Карты свойств почв и почвообразующих пород используются, когда какое-либо определенное свойство почвы или горной породы влияет на растительность. Наиболее типичным примером таких карт могут служить карты засоления почв и подпочв, составляемые преимущественно в пустынных районах для выбора земель, пригодных для растениеводства. На пустынном возвышенном щебнистом плато Устюрт, расположенном между Аральским и Каспийским морями, основным препятствием к растениеводству является высокое гипсовое засоление почв. Устюрт очень ровен, и различить участки с разной степенью засоления можно в основном только по растительности. Производя индикационную съемку, оказалось возможным составить карту засоления, которая была использована для сельскохозяйственных нужд. Такие карты составлялись и для других свойств почв в иных регионах. Возможно составление аналогичных индикационных карт для прослеживания заболоченности почв, для обнаружения островков минерального грунта на фоне болот и для иных практических целей.

Составление гидроиндикационных карт особенно широко практикуется для учета и хозяйственного использования локальных скоплений пресных вод (подпесчаные, подлиманные, подтакырные линзы подземных вод). Они залегают на небольшой глубине (обычно не глубже 5 - 10 м, чаще на глубине 1 - 3 м) и имеют ничтожную минерализацию (порядка 1 - 1,5 г/л). Диаметр линз сильно колеблется - от 20 - 100 м до 1 км и более. Число их велико. Несмотря на не очень большие размеры, значение их для водоснабжения, особенно в районах отгонного животноводства, достаточно важно, так как эти воды легкодоступны и вполне пригодны для питья. Обнаруживать же их обычными методами гидрогеологической съемки трудно. Для этого создаются гидроиндикационные карты тех сообществ индикаторов, которые развиваются на участках, где есть линзы местных пресных вод. Сообщества эти образованы фреатофитами.

Карты перспектив сельскохозяйственного освоения территорий. Естественная растительность часто может указывать на то, как лучше использовать ту или иную территорию в хозяйственном отношении. Поэтому вполне возможно составление соответствующих индикационных карт, указывающих оптимальные направления хозяйственной деятельности человека. Впервые идея составления таких карт была выдвинута Г. Высоцким. Он назвал эти карты фитотопологическими; они отражали (через распределение растительного покрова) весь комплекс тех экологических условий, знание которых необходимо для проектирования тех или иных хозяйственных мероприятий.

Французский исследователь Альберже разработал для некоторых тропических стран особый тип карт, где показано, какую сельскохозяйственную культуру целесообразно возделывать на месте того или иного фитоценоза. В СССР карты перспектив сельскохозяйственного освоения составляют главным образом для тундровых, таежных, болотных, пустынных и других, еще недостаточно освоенных районов. Сельскохозяйственное освоение понимается при этом широко, учитывается всевозможное разнообразие форм сельскохозяйственной деятельности. На карте указываются как вероятное, оптимальное размещение сельскохозяйственных культур, так и площади, непригодные для них и подлежащие пастбищному использованию, а также площади, перспективные в качестве сенокосных. На карте отражаются и возможности улучшения последних за счет подсева ценных кормовых трав. Такая карта является своеобразной перспективной программой использования территории. Обычно такие карты являются обобщением серии частных индикационных геоботанических карт (карт засоления, карт механического состава почв, гидроиндикационных карт и др.).

Все перечисленные карты составляют после специальных индикационных геоботанических съемок. Их отличие от геоботанического картографирования состоит в необходимости установления индикационных закономерностей, выявления индикаторов и составления индикационных схем. Карту составляют на топографической основе рабочего масштаба съемки, и оптимальной основой является фотоплан этого масштаба. Основные контуры карты отражают размещение фитоценозов индикаторов, но на нее целесообразно нанести внемасштабными значками и распространение наиболее важных видов-индикаторов. Индикационное картографирование осуществляется, как правило, с широким использованием аэрометодов.

Изучение растительности с использованием аэрометодов. Картографирование растительного покрова, оценка его состояния и продуктивности, мониторинг (систематическое наблюдение за состоянием природной среды) и решение целого ряда других задач все чаще осуществляются с привлечением аэрометодов.

При геоботанических исследованиях наиболее часто используемой формой является изучение растительного покрова при наблюдении его с самолета (аэровизуальные наблюдения) или при исследовании на снимках земной поверхности, полученных с самолетов, вертолетов или с космических носителей (геоботаническое дешифрирование). Для геоботанического дешифрирования используются материалы аэрофотосъемки (контактные отпечатки, фотосхемы в масштабе от 1:10 000 до 1:50 000) и космофотоснимки. В основном они черно-белые; однако иногда (значительно реже) используют цветные аэрофотоматериалы (с естественной окраской) и спектрозональные. На последних с помощью применения особых фотопленок и светофильтров достигают дифференцированной, но не естественной окраски разных объектов. Так, например, можно подобрать такие комбинации, при которых одна древесная порода будет изображаться голубой, другая - красной, третья - зеленой и т. д. Геоботаническое дешифрирование может быть топографическим и индикационным. При топографическом дешифрировании исследователь лишь опознает на снимке различные предметы и угодья. При индикационном дешифрировании, используя внутриландшафтные связи, определяют по видимым на снимке компонентам те природные условия, которые непосредственно не отражены снимком. Таким образом, различая на снимке леса, луга, пашни, мы занимаемся топографическим дешифрированием. Если же мы, видя на снимке контуры сосновых и еловых лесов, делаем вывод, что под первыми находятся песчаные почвы, а под вторыми - суглинистые, то дешифрирование приобретает индикационный характер (видимые на снимках предметы становятся индикаторами невидимых).

Техника дешифрирования сводится к выделению на аэрофотоснимках или космофотоснимках тушью контуров различных растительных сообществ. При этом каждый контур обычно заключает в себе и определенный фитоценоз, и ту форму рельефа, на которой он развит. Поэтому дешифрирование почти всегда является не чисто геоботаническим, а комплексным, ландшафтным. Распознавание структуры и состава растительного покрова на аэрофотоснимках производится по дешифрировочным признакам: 1) фототону или цвету; 2) размеру; 3) форме; 4) рисунку аэрофотоизображения.

Аэровизуальные геоботанические наблюдения производятся или в целях предварительного общего ознакомления с растительностью данного района (т. е. с целью рекогносцировки), или для уточнения результатов дешифрирования. Аэровизуальные наблюдения производятся обычно с высоты 100 - 150 м во время движения летательного аппарата по определенным маршрутам, нанесенным на карту, или заранее отдешифрированные фотосхемы. Дешифрирование и аэровизуальное изучение растительности разных природных зон имеют свои задачи и особенности. В тундровой зоне особенно важно различение разных типов тундр, имеющих разную кормовую ценность. При геоботаническом дешифрировании лесов наибольшее внимание обращают на распознавание господствующей древесной породы и на обнаружение примеси сопутствующих пород.

Особенно важным представляется дешифрирование болот, так как ввиду сложности их непосредственного исследования этот способ наиболее эффективен. На лугах и в степях геоботаническое дешифрирование затруднено, так как различные сообщества трав на черно-белых аэрофотоснимках имеют плохо различимую окраску от светло- до темно-серого. Отчетливо распознаются понижения с влаголюбивой луговой растительностью (лиманы) - они на снимках изображены в виде темных участков, а также солончаки: они светлого, почти белого цвета.

Применение фитоиндикации в разных природных зонах. В разных природных зонах геоботаническая индикация применяется для различных целей в зависимости от специфики природных условий.

1. Фитоиндикация в гумидных зонах достаточного увлажнения. В зоне тундр и в лесотундре фитоиндикация применяется преимущественно для распознавания глубины залегания кровли многолетнемерзлых пород (так называемой вечной мерзлоты), мощности того почвенного слоя, который покрывает их и ежегодно оттаивает (слой сезонного протаивания), и местонахождения "таликов" (участков, где мерзлота сильно снижена). Эти наблюдения очень важны для сельского хозяйства, потому что близкое залегание многолетнемерзлых пород препятствует сельскохозяйственному освоению земель, а "талики" являются для него оптимальными участками.

По растительности можно составить представление о механическом составе почв и подпочв и о мощности слоя сезонного протаивания. Приведем индикаторы некоторых мерзлотных условий на севере Западной Сибири в тундрах (табл. 6) по данным Л. Крицук и Н. Москаленко (1974).

Таблица 6

В лесотундрах мощность сезонного протаивания весьма значительна. Так, под долинами и логами с зеленомошными ивняками слой протаивания достигает 1,2 - 1,4 м, а под рединами (разреженными древесными насаждениями) с лиственницей по фону кустарничково-лишайниковой тундры на речных террасах достигает 2,5 - 3 м. Участки же бугристых болот в лесотундре свидетельствуют о толщине сезонноталого слоя, обычно не превышающего 0,8 м. Все перечисленные индикаторы обычно хорошо дешифрируются: лишайниковые тундры создают светлый фон, моховые - более темный, редины характеризуются крапом (т. е. темным точечным рисунком на светлом фоне), бугры создают мелкую пятнистость.

Таким образом, по растительности можно вести индикационное дешифрирование мерзлотных и почвенных условий тундр и лесотундр.

В лесах геоботаническая индикация применяется для самых разнообразных целей. Благодаря глубокому проникновению корней деревьев и крупных кустарников в почву здесь становится возможной литоиндикация. Это определение по растительности - не только свойств почвы, но и подстилающей ее горной породы. Литоиндикация в лесных ландшафтах осложняется большой их неоднородностью. Поэтому почти все литоиндикаторы, известные для лесной зоны, являются региональными, и для каждого крупного физико-географического региона составляют отдельные индикационные схемы.

Таблица 7

В лесных и луговых ландшафтах растительность приобретает значение индикатора кислотности почв и степени обеспеченности их известью. Индикация производится преимущественно с использованием отдельных видов травянистых растений. Приведем некоторые наиболее распространенные индикаторы обеспеченности почв известью в районе горьковского Поволжья (табл. 7); данные В. Ногтева.

На болотах геоботаническая индикация применяется очень широко. С ее помощью можно определять свойства торфяной залежи (флористический состав, степень разложения и интервалы колебаний влажности) в пределах верхних 3 - 5 м. Так, по данным Т. Абрамовой, на болотах Ленинградской обл. мощные олиготрофные залежи с сильной разложенностью торфа характеризовались господством формации мха Sphagnum fuscum, а неглубокие переходные слаборазложенные заросли индицировались комплексом сообществ Phragmites australis, Carex rostrata, C. lasiocarpa, Menianthes trifoliata.

Фитоиндикаторы помогают оценке химизма болотных вод. Олиготрофные формации верховых болот указывают на воды с высоким содержанием аммонийных солей и органических веществ, но с большой стойкостью против бактериальных загрязнений, развитию которых препятствует кислая реакция воды. Формации же низинных болот являются индикаторами вод, менее богатых органикой, менее кислых, но более благоприятствующих развитию бактериальной флоры.

2. Фитоиндикация в аридных зонах. В ландшафтах сухих степей и полупустынь фитоиндикация может быть использована для непосредственного картографирования различных почв. На это впервые указал С. Чаянов. Он писал: "Кто попадает в целинные степи и внимательно присматривается к почвам и растительности, их покрывающей, того прямо поражает то обстоятельство, что малейшее изменение растительных сообществ всегда сопряжено с изменением и почв" (Чаянов, 1909, стр. 321 - 322.). В настоящее время Л. Курочкина (1975) разработала детальную схему определения почв по растительности применительно к степной зоне Казахстана. По ее данным, для южных черноземов типичны степи с участием Stipa rubens и с богатым разнотравьем. Солонцеватые разности южных черноземов обозначаются сухими степями, в которых сочетаются Stipa sulcata, S. capillata, Festuca sulcata. На солонцах распространены сообщества с господством грудницы (Lynosiris villosa), черной полыни (Artemisia pauciflorum); солончаковатые их разности заняты зарослями Anabasis salsa, Atriplex сапа, Artemisia pauciflorum.

Для солонцов характерна комплексность растительного покрова.

В пустынных районах широко распространена фитоиндикация засоления почв и подпочв. Она имеет большое практическое значение, особенно на территориях, где предполагается производить орошение, или там, где оно проведено. Объектами индикации при этом являются степень засоления (т. е. суммарное содержание солей в тех горизонтах почвы, с которыми связана основная масса корней данного сообщества) и тип засоления (т. е. господство определенных ионов).

Фитоиндикация может применяться при оценке засоления почв под посевами. Здесь в качестве индикаторов используются галофиты, проникающие в посев в качестве сорняков. В этом случае индикация производится исключительно по отдельным, наиболее обильно представленным видам. При этом можно руководствоваться данными Б. Федорова о связи некоторых видов растений со степенью засоления почв в посевах Голодной степи (табл. 8).

Таблица 8

В аридных зонах широко используется гидроиндикация. Наиболее ценными для гидроиндикации оказываются сообщества, в которых господствуют фреатофиты. Напомним, что к фреатофитам относятся растения, корневая система которых постоянно связана с водонасыщенными горизонтами подстилающих пород. Большинство фреатофитов имеет мощную корневую систему, часто проникающую на глубину 5 - 12 м. Известны случаи проникновения в почву корней фреатофитов на 25 - 30 м (например, на таких глубинах были обнаружены при сооружении Суэцкого канала корни видов рода Tamarix).

Фреатофиты легко узнать на местности, особенно летом, так как они не высыхают и не выгорают вследствие постоянной связи с грунтовыми водами.

Среди фреатофитов существуют галофиты, гликофиты и виды, индифферентные к засолению, поэтому растущие и при высокой, и при низкой минерализации грунтовых вод. К галофильным фреатофитам относятся Halostachys caspica, Kalidium foliatum, Halocneum strobilaceum (при сомкнутом пышном произрастании) и ряд других полукустарниковых и кустарниковых солевыносливых растений. Гликофильные фреатофиты немногочисленны; к ним принадлежат виды родов Salix, Halimodendron halodendron, Melilolus polonicus, Isatis sabulosa, Artemisia arenaria и др. Очень много фреатофитов с широкой гидроэкологической амплитудой. Таковы Haloxylon aphyllum, большинство видов родов Tamarix и Alhagi, Phragmites australis, виды родов Populus и Eleagnus, Anabasis aphylla, Achnatherum splendens и многие другие. Производя оценку минерализации воды по этим фреатофитам, следует анализировать флористический состав всего сообщества. Если фреатофиту сопутствуют преимущественно галофиты (даже однолетние с неглубокой корневой системой), то следует предполагать присутствие соленых вод. Если фреатофиты растут в окружении гликофильных (преснолюбивых) видов, то можно предсказать наличие или пресных, или очень слабо солоноватых вод, пригодных для водопоя. Поэтому при гидроиндикации в пустынях исключительно важно соблюдать принцип определения экологических условий по всему составу сообщества.

Фитоиндикация процессов. Объектами индикации могут быть не только природные тела (почвы, горные породы, подземные воды), но и различные процессы - как естественные, так и антропогенные. Индикаторами процессов являются ряды сообществ, возникшие в ходе той или иной сукцессии: экзодинамической (т. е. сукцессии, возникшей под тем или иным внешним воздействием, изменившим экологические условия) или эндодинамической (возникшей под влиянием жизнедеятельности растительного покрова). Наибольшее индикационное значение имеют так называемые экологогенетические сукцессионные ряды. В них фитоценозы располагаются в пространстве в той последовательности, в которой они сменяют друг друга во времени. Примерами таких рядов могут служить те из них, которые возникают в заболачивающихся водоемах; здесь можно наблюдать сменяющие друг друга пояса растительности, каждый из которых обозначает определенную стадию зарастания водоема и накопления на его дне массы органического вещества. В эколого-генетическом ряду каждый входящий в него фитоценоз является пространственным выражением определенного сочетания условий в ходе процесса. Другими словами, каждый ценоз отражает собой определенную стадию процесса. Если сменяющие друг друга стадии процесса существенно отличаются друг от друга по тем или иным условиям, то это скажется на контрастности сменяющих друг друга сообществ, а следовательно, и на резкости их границ и на многих других внешних особенностях ряда. Отсюда вытекает возможность использования морфологических черт его для индикации хода процесса, создавшего данный ряд.

Эколого-генетические ряды фитоценозов, индицирующие различные процессы, пока изучены недостаточно полно. Однако в некоторых случаях они уже получили практическое применение. Наиболее важной является фитоиндикация ранних стадий различных процессов, особенно тех, которые могут нанести ущерб народному хозяйству. Индикацию процессов по ранним стадиям их проявления называют прогнозной. Заметив начальные стадии процесса, можно заблаговременно принять меры к его торможению. В этом случае растительные индикаторы являются наиболее эффективными, так как они быстрее других компонентов природной среды реагируют на изменившиеся условия. Так, например, возникновение первых очагов дефляции (развевания) в закрепленных песках можно заметить по появлению мелких участков' с пионерами-псаммофитами.

В дальнейшем, если не воспрепятствовать процессу, на месте этих участков возникнут котловины выдувания и барханы, лишенные растительности. Карстовые формы на территориях с господством известняков и карбонатных глин тоже сначала возникают в форме едва заметных мелких понижений, которые нельзя было бы обнаружить, если бы они не заселялись растительностью, отличающейся от окружающего фона. В этих понижениях отмечаются обычно заболоченность и избыточное увлажнение, что позволяет существовать в них мезофитам и гигрофитам. Растительность может индицировать карстовый процесс, даже когда он замаскирован поверхностными отложениями. На березово-зеленомошных болотах Ивановской обл., подстилаемых известняками, карстовые воронки обозначаются округлыми пятнами верхового болота. Последнее развилось потому, что известняки здесь разрушены и это дает возможность поселиться кальциефобным мхам, создающим верховой торфяник. Таким образом, на поверхности болота видна не карстовая воронка, а только ее "геоботаническая проекция".

В горах Тянь-Шаня по геоботаническим индикаторам можно определять очаги процесса формирования грязекаменных потоков (селей). Ими являются площади с остатками горных лесов и с развитием на склонах влаголюбивой растительности из различных фреатофитов. Эти геоботанические признаки свидетельствуют о переувлажнении склона и о способности грунтов, слагающих его, быстро терять устойчивость при ливневых осадках. Картируя очаги селей, можно прогнозировать вероятный путь их движения и принять соответствующие меры.

Фитоиндикация процессов получила применение в исследованиях, связанных с мелиорацией земель. В первую очередь следует указать на то, что растительные индикаторы помогают распознавать площади, нуждающиеся в мелиорации, а также определять желательное направление мелиорации. Такая индикация называется предваряющей, поскольку она производится до начала мелиоративных работ. В этом случае большое значение приобретает то прогнозирование процессов, о котором говорилось выше. Наблюдая в лесах распространенность ковров мхов из рода Sphagnum, обилие осоковых кочкарников, широкое распространение Scirpus silvaticus, Filipendula ulmaria, различных видов рода Iuncus и др., можно прогнозировать угрозу заболачивания данного лесного массива и даже определить те части, которые нуждаются в немедленной мелиорации. Аналогичный вывод можно сделать для лугов, на которых обильно расселяются Nardus stricta и осоки. В аридных областях развитие комплексов с участием галофитов указывает на возможность засоления и позволяет определить площади первоочередной ирригации. Большое значение может иметь не только появление, но и гибель определенных фитоценозов. Например, снижение уровня грунтовых вод может быть легко замечено по угнетению фреатофитов, и соответствующие площади легко выделить на местности и нанести на карту.

Другой формой оценки среды по растительности является сопутствующая фитоиндикация, т. е. осуществляемая на территории, уже подвергшейся мелиорации. Здесь индикационные исследования не опережают мелиорацию, а происходят одновременно с ней. Основными показателями, используемыми при сопутствующей индикации, являются: 1) сохранившиеся среди посевов остатки естественной растительности; 2) господство определенных экологических групп сорных растений; 3) состояние самого посева, степень его вегетативной мощности и сомкнутости. Все эти признаки исследуются комплексно, во взаимосвязи друг с другом. Так, например, наблюдая в оазисах массивы хлопчатника сильно разреженные, низкорослые, угнетенные и отмечая среди них различные галофиты, как сорные, так и сохранившиеся от сообществ, покрывавших эту территорию до мелиорации, можно заключить, что последняя не дала здесь надлежащего эффекта и требуются дополнительные мероприятия для устранения засоления.