Перспективные направления геоботанических исследований направленных на охрану. Основные цели и задачи геоботаники

Хотя выше уже были рассмотрены некоторые тенденции современного развития геоботаники, мы все же считаем небезынтересным дать краткую сводку тех тенденций, которые, на наш взгляд, являются наиболее существенными.

Из происходящих в геоботанике сдвигов самым общим является изменение ее содержания и объема, признание многими ее «стыковой наукой», стоящей на границе между ботаникой, экологией и географией (особенно ландшафтоведением) и являющейся одной из частей науки о Земле - геономии. Ее объектом изучения является растительный покров как сложная система с целым рядом подсистем, которые все - от вида как ценобионта и растительного сообщества как центрального объекта до фитогеосферы - изучаются для раскрытия общих закономерностей эволюции, структуры, состава, географии, экологии растительного покрова как определяющей части биосферы и ландшафтной оболочки Земли и методов управления им.

Именно системный подход открывает, по мнению многих современных исследователей, возможности изучать разнокачественные объекты (подсистемы) растительного покрова, учитывая их сравнительную целостность, с одной, и открытость, стохастический и подчиненный характер, с другой стороны, и тем самым охарактеризовать растительный покров как динамическую систему.

С новых точек зрения рассматривается растительное сообщество. Разница в теоретических трактовках растительного сообщества ясно вырисовывается, если, например, сравнить фитоценологию 20-30-х годов с ее теорией растительных сообществ как целостных, сплоченных единиц («организмов») с современными течениями фитоценологии - с учением о континууме, с трактовкой фитоценоза с точки зрения биокибернетики, системных уровней интеграции и т. д. В настоящее время фитоценоз рассматривается как явление природы с трехступенчатой организацией живого (организменный, популяционный и ценотический уровни), в связи с чем усложняются его структура и комплекс взаимодействий. Фитоценоз - чрезвычайно сложное явление, познать жизнь которого возможно только на основе многомерной модели. Степень детерминированности конкретных фитоценозов сравнительно низка, от чего зависят и их относительная неустойчивость и возможность возникновения «разных состояний системы по всему диапазону признаков в их разных стохастических комбинациях». В. Д. Александрова (1961) пишет, что «фитоценоз относится к классу динамических систем высокой степени сложности. Он является очень большой, с точки зрения кибернетики, динамической системой со стохастическими преобразованиями и статистическим эффектом». Иначе говоря, сложность фитоценозов проявляется в: 1) большом многообразии конкретных флор, являющихся «материалом» для выработки видового состава фитоценозов; 2) различных типах строения сообществ, многообразии структурных частей сообществ; 3) многообразии экотопов, возможности беспредельной вариации и комбинации экологических факторов, их качественных показателей; 4) многообразии взаимодействий между растениями, слагающими сообщества, между ними и условиями среды; 5) разнообразии путей становления и развития сообществ, многообразии хода сукцессионного процесса в различных экотопах.

Чем более сложным нам представляется фитоценоз как природное явление, тем более усовершенствованных, многообразных и точных методов требует его изучение. В настоящее время мы можем говорить уже о целых «классах» методов геоботанического изучения растительного покрова и фитоценозов. К обычному и несомненно поверхностному, но все же и в наши дни не потерявшему свое значение рекогносцировочному исследованию растительных сообществ методом простого описания их видового состава, структуры и экотопа прибавились биогеоценологические, стационарно-экологические, экспериментальные, биогеофизические, продукционно-экологические, количественно-статистические и другие методы исследования. Последний «класс» (количественно-статистических методов) сыграл несомненно очень большую роль в достижении современного уровня геоботаники и экологии. Перед этими методами стоят и огромные задачи в дальнейшем развитии учения о растительном покрове, ибо лишь измеряемость, точность и статистическая обрабатываемость собираемых фактов позволяют их объективно систематизировать и обобщать в строго доказанные выводы.

Взгляд на фитоценоз как сравнительно открытую систему и на растительный покров как явление непрерывное заставляет геоботаников и экологов много внимания обращать на специальные методы изучения растительного континуума. Методы ординации и градиентного анализа существенно усовершенствованы в течение последних 10-15 лет, и, очевидно, именно это направление определит в ближайшее время успех в деле выяснения важного вопроса: какое качество растительности - дискретность или непрерывность - внутренне более свойственно ей как природному явлению. Конечно, вопросы классификации растительности сохраняют свое важное место в проблематике геоботаники, но ясно и то, что: 1) проблема иерархической чисто фитоценологической классификации теряет свое прежнее главенствующее значение в геоботанике и 2) проблема классификации растительности имеет положительные перспективы лишь в случае объединенного использования традиционных фитоценологических приемов классификации и результатов градиентного и ординационного анализа растительности. Многими геоботаниками и экологами уже с достаточной убедительностью показано, что классификация и ординация не являются взаимоисключающими подходами к изучению растительности, а должны взаимно обогащать друг друга.

Долгие десятилетия в геоботанике ведущей проблемой была классификация растительности. Ей посвящено подавляющее большинство геоботанической литературы, что является совершенно естественным на определенном этапе развития геоботаники, когда первостепенной задачей считалось создание всестороннего обзора о разнообразии растительных сообществ. Это, очевидно, прослеживается и в настоящей работе - мы действительно во всех главах должны были очень много внимания уделять вопросам классификации. Но можно думать, что уже в ближайшем будущем эта непропорциональность в геоботанической проблематике будет устранена и на передний план выступят такие проблемы, как моделирование растительных сообществ, изучение приходно-расходных процессов энергетических ресурсов сообществ, функции и структура разного типа сообществ в экосистемах, разработка теоретических и методологических основ создания высокопроизводительных и устойчивых в отношении измененной человеком среды растительных сообществ и т. д.

Из сказанного нельзя делать вывод, что геоботанические проблемы, которые изучаются уже много лет и стали, так сказать, классическими (как, например, районирование и картирование растительного покрова, изучение смен растительности и др.), вовсе теряют свое значение. Никак нет. Но и они перестраиваются на новую методику и обогащаются новыми теоретическими подходами. Так будет, например, с картированием растительного покрова, которое в ближайшее время перейдет на новую методику, связанную с использованием спектрозонального анализа цветной аэрофотосъемки и, что особенно перспективно, с материалами, поступающими в распоряжение ученых от космических спутников. В науке уже говорят о космическом ландшафтоведении, вскоре будут говорить и о космической геоботанике. Конечно, обычные методы картирования сохраняются на вооружении геоботаников-картографов, так как необходимость работы на ключевых участках (полигонах) не снимается, но наземные материалы будут объединяться с космическими, и в результате будут достигнуты большая точность, обзорность и скорость работы.

Завершая настоящую книгу, нам хотелось бы остановиться еще на одном вопросе - в какой стадии развития находится геоботаника?

Науки развиваются по определенным внутренним закономерностям. Среди последних существенной является стадийность развития науки, прохождение ею определенных этапов в процессе познания своего объекта или разрешения своей проблемы. Процедуру научного познания можно условно разделить на несколько стадий, начиная с более простых и кончая сложными, обобщающими. Конечно, эти стадии не должны строго следовать друг за другом, могут случаться и сложные переплетения, параллельное развитие этапов, но в общем они отражают логический ход внутреннего прогрессивного развития науки.

Перечислим основные этапы этого процесса: 1) описание явления, процесса, предмета, объекта; 2) измерение, сбор количественных данных; 3) группирование данных, типологизация и классификация; 4) статистическая и математическая обработка данных; 5) постановка экспериментов; 6) интерпретация полученных данных; 7) создание гипотезы; 8) разработка теорий и закономерностей; 9) прогнозирование; 10) создание общей концепции.

Приняв эту схему за основу, интересно установить, в какой стадии находится современная геоботаника, какие стадии достаточно отработаны, в каких находится ее «точка роста». Можно сказать, что три первые стадии почти пройденный этап, иначе говоря, они уже не являются препятствием в дальнейшем развитии геоботаники. Успешно развивается количественная (статистическая) геоботаника, на повестке дня создание особой отрасли биоматематики, непосредственно связанной с геоботаникой, - биоценометрии со специальным набором математических методов и аппаратуры. Определенные успехи имеются и в области экспериментальной геоботаники, но целенаправленный опыт не проник еще во многие существенные неразрешенные проблемы. Начиная с шестой стадии (интерпретация) картина выглядит менее удовлетворительной, что проявляется в отсутствии общих объясняющих теорий сущности растительного сообщества, его места в энергетических цепях экосистемы, а шире - в отсутствии общепризнанной теории растительного покрова как основы для прогнозирования его процессов. Полагая, что наука будет в расцвете в случае прохождения через все вышеназванные стадии, определим, что геоботаника достигла средней фазы своего развития, а самые сложные, ответственные и современные ее задачи ждут еще своего решения.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Белорусский государственный университет

Биологический факультет

Кафедра ботаники

Геоботаника

Курс лекций

Для студентов биологического факультета

Минск

Редакционно-издательским советом БГУ

2004 г., протокол №

Тихомиров Вал. Н. Геоботаника: курс лекций. – Мн.: БГУ, 2004. – с.

В данном издании изложены основные положения современной геоботаники – науки о растительном покрове: основные экологические факторы, воздействующие на растения и растительные сообщества, формирование, состав, структура фитоценозов, их изменчивость и смены во времени, основные положения классификации и геоботанического районирования растительности. Предназначено для студентов биологического факультета.

УДК 681.9(075.8)

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................. 5

Геоботаника как наука............................................................................................................................. 6

Основные этапы развития геоботаники .................................................................................................... 11

История изучения растительного покрова Беларуси ........................................................................... 18

Влияние основных ЭКОЛОГИческих факторов на растения и растительные сообщества 22

Общее представление об экологических факторах. .............................................................................. 22

Абиотические факторы .................................................................................................................................. 28

Свет ..................................................................................................................................................................... 28

Тепло .................................................................................................................................................................. 31

Вода .................................................................................................................................................................... 32

Воздух ................................................................................................................................................................ 35

Почвы и грунты ............................................................................................................................................. 38

Рельеф ................................................................................................................................................................ 44

Биотические факторы. .................................................................................................................................... 47

Взаимоотношения растений друг с другом. ....................................................................................... 51

Взаимоотношения между растениями и их консортами ............................................................... 62

Специфичность видов по воздействию на среду ...................................................................................... 71

Эколого-фитоценотические стратегии растений ................................................................................ 74

Конкурентное исключение и формирование экологической ниши. ................................................... 78

Состав и структура растительных сообществ (синморфология)................. 82

Состав растительных сообществ .............................................................................................................. 82

Флористический состав фитоценозов. .................................................................................................. 83

Состав жизненных форм ............................................................................................................................ 92

Ценопопуляционный состав. Структура и динамика ценопопуляций .................................. 97

Пространственная структура фитоценозов ....................................................................................... 108

Вертикальная структура фитоценоза ................................................................................................. 109

Горизонтальная структура фитоценоза ............................................................................................. 114

Функциональная структура фитоценоза ............................................................................................... 121

Динамика растительных сообществ (синдинамика).............................................. 125

Изменчивость фитоценозов во времени .................................................................................................. 125

Суточная изменчивость фитоценозов ................................................................................................ 126

Сезонная изменчивость фитоценозов ................................................................................................. 126

Разногодичная изменчивость фитоценозов (флуктуации) ........................................................ 130

Возрастная изменчивость фитоценозов ............................................................................................. 135

Сукцессии ............................................................................................................................................................ 137

Автогенные сукцессии. ............................................................................................................................ 139

Аллогенные сукцессии ............................................................................................................................. 144

Классификация растительности (синтаксономия)................................................. 152

Физиогномический подход ............................................................................................................................. 155

Доминантная и доминантно-детерминантная классификации растительности ................. 157

Эколого-флористическая классификация (система Браун-Бланке) ............................................. 161

Ординация растительности............................................................................................................ 164

Геоботаническое районирование............................................................................................ 168

Человек и его роль в изменении растительного покрова................................. 171

ВВЕДЕНИЕ.

Данное учебное пособие представляет собой изложение лекций по курсу «Геоботаника», читаемых автором для студентов 2 курса биологического факультета Белгосуниверситета. При чтении лекций и подготовке данного издания перед нами стояли две основные проблемы. Во-первых, ограниченный объем курса (всего 18 лекционных часов) вынуждает нас крайне избирательно подходить к отбору материала для лекций. Так, в курсе лекций мы вынуждены отказаться от рассмотрения таких, несомненно, важных разделов геоботаники, как методика геоботанических исследований, продуктивность фитоценозов, типология лесной растительности Беларуси, картографирование растительности; в сжатом виде излагаются вопросы дискретности и непрерывности растительности, классификации и ординации растительности, геоботанического районирования. Данные вопросы в дальнейшем с большей или меньшей степенью детализации разбираются на летней учебной практике по геоботанике, где студенты осваивают основные методы геоботанических исследований, выделяют отдельные фитоценозы и определяют наличие или отсутствие четких границ между ними, классифицируют их и проводят картографирование участка растительности, определяют причины изменения продуктивности различных компонентов фитоценозов.

Другой серьезной проблемой, вставшей перед нами, явилось отсутствие у студентов знаний по общей экологии, экологии растений и популяционной экологии растений. Это связано с тем, что курс общей экологии прослушивается ими лишь на 3 курсе, экология и популяционная экология растений прослушиваются лишь как спецкурсы на кафедре ботаники на 4 и 6 курсах соответственно. Это вынудило нас включить в данную книгу такие разделы, как общее представление об экологических факторах, характеристику основных абиотических и биотических факторов среды, понятие об экологической нише, дать общее представление о жизненных формах и ценопопуляциях растений. По нашему мнению, без изложения данных вопросов (хотя они и не относятся непосредственно к геоботанике) невозможно изложить разделы, связанные с составом, структурой и динамикой фитоценозов.

Автор выражает глубокую благодарность А. А. Кагало, В. В. Маврищеву, Т. М. Михеевой и В. В. Сарнацкому за просмотр рукописи и за ценные критические замечания, позволившие улучшить содержание и структуру данной книги.

Геоботаника как наука

Геоботаника (от греческого ge – земля и botanicos – относящийся к растениям) – это наука о растительном покрове Земли как совокупности растительных сообществ. Геоботаника изучает состав, строение, классификацию, закономерности формирования, развития и размещения растительного покрова Земли и его связь с окружающей средой. Она охватывает весь спектр взаимоотношений в пределах одного растительного сообщества, между отдельными сообществами, а также между растительным сообществом и окружающей его природной средой. Термин «геоботаника» для учения о растительном покрове был предложен в 1866 г. одновременно и независимо друг от друга русским ботаником Ф. И. Рупрехтом и немецким ботаником А. Гризебахом.

Перед тем, как перейти к рассмотрению структуры геоботаники, следует остановиться на некоторых терминах и, в первую очередь, на таких, как «флора» и «растительность». Флора – исторически сложившаяся совокупность видов растений на определенной территории. Флористика изучает флоры, историю их формирования, распределение отдельных видов (ареалы видов) на определенной территории, их распространение и т.д. При этом основной единицей флористики является вид как таксономическая категория.

Растительность – это совокупность растительных сообществ (фитоценозов) на какой-либо территории, то есть совокупность растений, произрастающих на какой-либо площади, вне зависимости от того, насколько сомкнуты растения и насколько сильны взаимодействия между ними (Василевич, 1983). Растительность характеризуется не только видовым составом, а, главным образом, обилием видов, их пространственной структурой, динамикой и возникающими внутри сообществ экологическими связями.

Фитоценоз – «всякая конкретная группировка растений, на всем протяжении занимаемого ею пространства относительно однородная по внешности, флористическому составу, по условиям существования» (Шенников, 1964: 12). Фитоценоз является частью (автотрофным блоком) более сложной системы – биоценоза , в который, помимо фитоценоза, входят также зооценоз (совокупность животных) и микробоценоз (совокупность микроорганизмов). Совокупность биоценоза, занимаемого биоценозом пространства и экотопа (режимов среды биоценоза: воздушного, водного, температурно-радиационного, минерального питания и др.) образуют биогеоценоз . В функциональном отношении биогеоценоз идентичен экосистеме . Но между данными понятиями есть и некоторые различия. Экосистема – это «любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями» (Одум, 1988). То есть, в качестве экосистем можно рассматривать как гниющий пень, так и весь лесной массив, в котором этот пень расположен. Биогеоценоз же является участком земной поверхности в границах входящего в него фитоценоза, то есть всегда имеет определенные минимальные границы. Таким образом, всякий биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема – биогеоценозом.

Являясь комплексной наукой, геоботаника подразделяется на ряд частных дисциплин (рис. 1):

Рис. 1. Структура геоботаники как комплексной науки.

· фитоценохорология (география растительности, хорологическая геоботаника ) – раздел геоботаники, изучающий закономерности географического распределения различных синтаксономических единиц растительности на поверхности Земли; включает в себя:

· геоботаническое картографирование – составление геоботанических карт растительности различного масштаба;

· геоботаническое районирование – выявление территориальной дифференциации растительности на внутренне однородные районы, обладающие индивидуальными свойствами;

· фитоценология – раздел геоботаники, изучающий взаимодействие растений друг с другом и с окружающей средой, формирование структуры растительных сообществ и их комплексов, динамику этих процессов. Она подразделяется на:

· общую , в которой рассматриваются общие закономерности структуры растительных сообществ (синморфология ), закономерности их формирования и динамики (синдинамика ), взаимоотношение компонентов растительных сообществ с окружающей средой и друг с другом (синэкология ), а также классификация растительных сообществ (синтаксономия );

· специальную – общая фитоценология применительно к отдельным типам растительности. Разделами специальной геоботаники являются лесоведение, луговедение, болотоведение и т.д., которые, в свою очередь, служат теоретической основой прикладных наук агрономического цикла: лесоводства, луговодства, культуры болот и др.

· историческая геоботаника – раздел геоботаники, исследующий изменение растительности в геологических масштабах времени в связи с изменением климата и поверхности Земли. При изучении изменений растительности под воздействием антропогенного фактора масштабы времени сопоставимы со временем существования человеческой цивилизации – до нескольких столетий.

Таким образом, геоботаника является синтетической наукой. Так, фитоценохорология очень тесно связана с комплексом географических наук и ботанической географией, историческая геоботаника частично перекрывается с палеоботаникой; а фитоценология пересекается с флористикой и экологией растений.

Геоботаника нередко рассматривается как синоним фитоценологии, что, на наш взгляд, не совсем точно. В центральной Европе геоботаника рассматривается в широком объеме, то есть, помимо фитоценологии в узком смысле, она включает в себя географию растительности и, иногда выделяемую в отдельное направление, историческую геоботанику. Данный подход представляется наиболее рациональным, кроме того, в современной литературе он применяется все более широко.

Некоторые ученые, особенно американские и английские, в качестве синонима геоботаники довольно широко используют и такой термин, как «синэкология», под которым понимают науку о растительных сообществах. При этом геоботаника, особенно фитоценология, рассматривается как часть экологии растений или экологии растительных сообществ. Но, как видно из приведенной выше схемы, в состав геоботаники (и фитоценологии тоже), помимо синэкологии (экологии фитоценозов) входят и другие разделы: морфология, география, классификация фитоценозов, учение о развитии и сменах фитоценозов и др., и поэтому синэкология является лишь частью геоботаники, хотя и немаловажной. В то же время нельзя сводить и экологию в целом к геоботанике. Дело в том, что экология – это наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Полное разделение геоботаники и экологии как отдельных наук произошло в конце 70-х годов 20 столетия, когда В. Д. Федоровым (Федоров, 1977) была сформулирована экологическая парадигма , согласно которой специфическим, уникальным объектом экологии является экосистема , а не отдельные особи, популяции и даже сообщества.

Основные цели и задачи геоботаники. Методы геоботанических исследований

Цель геоботаники – выяснение причин, обусловливающих закономерности группирования растений в пространстве и во времени, познание свойств и качеств образующихся группировок, закономерности их распределения на земном шаре, поиск путей управления ими (улучшения и увеличения производительности, создания новых группировок), выработка стратегии их охраны и рационального использования.

Для достижения поставленной цели геоботаника как наука должна решить ряд конкретных задач :

1) определение фитоценотического состава растительного покрова;

2) изучение флористического состава и строения выделенных фитоценозов;

3) выяснение зависимости фитоценотического состава растительного покрова, флористического состава фитоценозов и их строения, распределения и пространственных соотношений от климатических и топографических условий, от биотических факторов среды и степени антропогенной нагрузки;

4) изучение генезиса и эволюции растительности, динамики фитоценозов;

5) изучение формирования, изменяемости и смен фитоценозов во времени в зависимости от внешних и внутренних факторов;

6) анализ фитоценотических отношений между растениями в зависимости от условий существования, биологических и экологических особенностей растений и их взаимного размещения;

7) изучение взаимодействия и взаимообусловленности фитоценоза и окружающей среды;

8) выяснение состояния растительного покрова в геологическом и историческом прошлом и отражения прошлого в современной растительности;

9) установление классификационных единиц разного ранга и систематизация типов фитоценозов, то есть классификация и систематика растительности;

10) хозяйственная характеристика форм растительности и выяснение путей их улучшения, более рационального размещения, охраны и использования.

Подытоживая изложенное выше, можно сказать словами А. П. Шенникова, что у геоботаники «задача одна: полноценное фитоценологическое исследование растительного покрова; перечисленные же задачи – лишь разные стороны, с каких должен быть рассмотрен изучаемый предмет» (Шенников, 1964: с. 15).

Для того чтобы решить поставленные задачи, геоботаника использует целую систему методов . Существует несколько различных вариантов классификации методов, используемых при геоботанических исследованиях. Мы придерживаемся схемы Б. М. Миркина (Миркин и др., 1989), в основу которой положен метод биологического познания – описательно-регистрационный (наблюдение) или экспериментальный, а также признак кратности учета. При этом выделяются три группы методов.

· Маршрутные методы однократных учетов по ходу маршрута. Они могут быть разномасштабными и охватывать как небольшие участки растительности, так и целые области, а также разными по степени точности, то есть опираться как на чисто визуальные оценки, так и на точные методы учета.

· Стационарные методы – класс методов, которые реализуются путем многократного повторного изучения одних и тех же признаков растительности в одних и тех же точках. Стационарные исследования могут быть разными по длительности (от нескольких дней до десятков лет) и выполняться как с использованием визуальных оценок (например, многократное посещение одних и тех же участков растительности для визуальных наблюдений флуктуаций), так и с применением целого арсенала сложных приборов. В большинстве своем подобные стационарные геоботанические исследования перерастают в исследования экологические, так как изменения параметров растительности анализируются параллельно с учетом параметров среды.

· Экспериментальные методы – класс методов, которые реализуются путем активного вмешательства в наблюдаемую растительность и среду. К числу экспериментальных исследований относятся, например, изучение влияния удобрений на растительность, создание искусственных фитоценозов, включение в состав естественных сообществ новых компонентов (или их исключение), снижение уровня конкуренции обрезкой корней деревьев и так далее. Особым видом экспериментальных исследований являются методические эксперименты, которые проводятся с целью сравнения разных методов получения исходных данных и их обработки; к экспериментальным методам следует отнести и моделирование фитоценотических систем.

Геоботанические исследования, являясь основной формой работы полевых ботаников, включают в себя комплексное изучение как самих растений, так и среды их обитания, которые оказывают взаимное влияние и, в определенной степени, "формируют друг друга".

Связано это, в первую очередь, с тем, что произрастание как отдельных видов растений, так и сформированных ими фитоценозов, напрямую зависит от комплекса физико-географических факторов, в первую очередь - от особенностей рельефа, почв и почвообразующих пород данной территории. Особенно велика, при этом, роль рельефа, который, хотя и косвенно, влияет на растительность и, являясь мощным трансформатором тепла и влаги, оказывает исключительно большое влияние на специфику фитоценозов и их распространение.

В свою очередь растения и сформированные ими фитоценозы изменяют среду своего обитания - макро- и микроклимат, состав, структуру и влажность почвы, подземную и поверхностную гидросеть. Будучи функционально связанными с комплексом физико-географических условий, растения и их сообщества, могут быть использованы как индикаторы (особенно виды и фитоценозы с узкой экологической амплитудой) различных особенностей природных условий - аэрации и увлажнения почвы, ее засоленности, карбонатности и механического состава, глубины залегания почвенно-грунтовых вод и т.п. Наиболее надежными индикаторами являются не отдельные виды, а группы видов или целиком растительные сообщества.

Методам изучения флоры, как комплекса произрастающих видов растений, и растительных сообществ - фитоценозов, посвящено данное методическое пособие.

Основные понятия и термины Флора и флористические исследования

Флора представляет собой совокупность всех произрастающих на территории видов растений. Понятие флоры не является аналогом понятия фитоценоз (сообщество), скорее это формальный список (перечень) видов той или иной местности.

Изучение особенностей флоры составляет предмет флористических исследований .

Без знания и инвентаризации флоры невозможно проводить геоботанические исследования. Таким образом, флористические исследования, флористика, является частью геоботанических, исследований.

Фитоценоз и геоботанические исследования

При геоботанических исследованиях основным объектом изучения является фитоценоз .

В отечественной геоботанической литературе наиболее широко используется определение, данное В.Н.Сукачевым: "Под фитоценозом (растительным сообществом) надлежит понимать всякую совокупность растений на данном участке территории, находящуюся в состоянии взаимозависимости и характеризующуюся как определенным составом и строением, так и определенным взаимоотношением со средой... ".

Таким образом, фитоценоз - это не случайное собрание видов растений, а закономерная совокупность видов, приспособившихся, в результате длительного подбора, к совместному существованию в определенных условиях внешней среды.

Часто вместо термина "фитоценоз" употребляется термин "растительное сообщество". Однако, как считает А.Г. Воронов (1973), термин "фитоценоз" целесообразнее сохранить для обозначения конкретных участков растительности, а "растительное сообщество" использовать как термин, не имеющий определённого объёма, как безранговое понятие для обозначения любого таксона в классификации растительного покрова.

Иногда в качестве синонима термина фитоценоз" некоторые исследователи используют термин "участок ассоциации".

Каждый фитоценоз характеризуется определённым набором признаков, из которых наиболее важное значение для разграничения одних фитоценозов от других имеют следующие:

1) видовой (флористический) состав;

2) количественные и качественные отношения между растениями, которые определяются разной степенью участия (обилием) различных видов и неодинаковой их значимостью в фитоценозе;

3) структура - вертикальное и горизонтальное расчленение фитоценоза;

4) характер местообитания - среда обитания фитоценоза.

Совокупность всех фитоценозов определенной территории называют растительностью, или растительным покровом данной территории.

Заведующий лабораторией, ведущий научный сотрудник, доктор географических наук - И. А. Трофимов

Ведущий научный сотрудник, кандидат сельскохозяйственных наук - Л. С. Трофимова

Старший научный сотрудник - Е. П. Яковлева

Лаборант-исследователь - Е. В. Клименко

Консультант,доктор биологических наук, академик РАН - И. В. Савченко

Комплексные геоботанические исследования

Комплексные геоботанические исследования во ВНИИ кормов им. В. Р. Вильямса - крупнейшем научно-методическом, исследовательском и интеллектуальном центре по кормопроизводству России, имеют свою богатейшую, более чем вековую историю.

В основе решения проблем увеличения адаптивности, устойчивости и экономической эффективности кормовых угодий лежит их глубокое комплексное геоботаническое изучение. Основоположники отечественного луговедения - В. Р. Вильямс, А. М. Дмитриев, Л. Г. Раменский, И. В. Ларин, Т. А. Работнов считали геоботаническое изучение и оценку природных кормовых угодий «необходимой составной частью работ по лугопастбищному хозяйству».

Принципиальными особенностями научной школы геоботаники ВНИИ кормов является изучение растительности во взаимосвязи со средой и ее оценка в кормовом отношении.

Основные направления деятельности научной школы геоботаники института осуществляются по разным направлениям. Развитие теоретических и методологических основ, принципов и методов комплексного (синтетического) фитотопоэкологического подхода к оценке природных кормовых угодий, сельскохозяйственных земель, агроэкосистем и агроландшафтов с использованием наземных и дистанционных данных. Комплексное геоботаническое изучение и оценка, классификация, картографирование, районирование, мониторинг природных кормовых угодий России, кормовая характеристика растений сенокосов и пастбищ и кормовых ресурсов изучаемых территорий, теоретическое обоснование систем их улучшения и рационального использования, приемов управления продукционными, средообразующими и природоохранными функциями агроэкосистем и агроландшафтов.

Геоботаническое изучение и оценка природных кормовых угодий в институте начались с началом организации в 1912 г. показательного лугового хозяйства при высших курсах по луговодству Московского сельскохозяйственного института. На базе этого хозяйства в 1917 г. была создана станция, в 1922 г. - Государственный луговой институт, в 1930 г. - Всесоюзный, а в 1992 г. - Всероссийский научно-исследовательский институт кормов.

Наблюдение растений в природе и их гербаризация с самого начала стали неотъемлемой частью системы изучения лугов в Государственном луговом институте. Первые коллекции Гербария слагались в основном из сборов на экскурсиях по Подмосковью и соседним областям. Подробнее о Гербарии можно прочитать .

В настоящее время коллективом лаборатории (И.А. Трофимов, Л.С. Трофимова, Е.П. Яковлева, И.В. Савченко, Е.В. Клименко) разрабатывается агроландшафтно-экологическое районирование природных кормовых угодий России.

Л.Г. Раменский, также как В.В. Докучаев и В.Р. Вильямс, пришел к убеждению, что растительное сообщество является частью более сложных систем - биоценоза и биогеоценоза, земель и агроландшафтов. Это положение нашло наиболее полное отражение в его учении о типах земель.

В своей работе «Классификация земель по их растительному покрову» Л.Г. Раменский указывал, что нужны не классификации растительности, почв, местообитаний и пр., разрозненные и лишь механически друг на друга накладываемые, нужна фитотопоэкологическая классификация земель во всем многообразии и единстве их комплексной характеристики. Эта классификация типов земель (биогеоценозов, агроландшафтов, агроэкосистем) является комплексной фитотопоэкологической, необходимой для применения в прикладных целях. По своей сути классификация природных кормовых угодий Л.Г. Раменского является классификацией типов земель, агроэкосистем или агроландшафтов.

С неослабеваемой энергией Л.Г. Раменский выступал за комплексное изучение земель. Он опубликовал очень ценное основополагающее в теоретическом, методическом и практическом отношениях руководство по комплексному изучению земель, представляющее собой основы синтетического учения о природно-хозяйственных типах земель. Это направление работ Л.Г. Раменского заложило основы создания современного учения об агрогеосистемах и агроландшафтах.

В своей работе «Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование земель» (1938) Л.Г. Раменский так определяет предмет исследований: «... с одной стороны территория, земля, с другой стороны - растения, животные, микроорганизмы являются основными природными факторами сельского хозяйства... Для обоснования мероприятий нужен синтетический подход - необходимо изучение почв, растительности, водного баланса территории, ее микроклимата и т. д., в их взаимной связи, во взаимодействии, на фоне культурных режимов и преобразований. Синтетическое изучение природных особенностей и жизни территории в перспективе ее хозяйственного использования и преобразования составляет содержание производственной типологии земель. Методом типологии земель является комплексное исследование территории...». Эти системные (агроландшафтные) подходы и традиции свято хранятся и развиваются во ВНИИ кормов.

На этих принципах сегодня базируется не только школа геоботаники ВНИИ кормов, лидером и основателем которой стал Леонтий Григорьевич Раменский, на этих принципах базируются современное агроландшафтоведение и учение об агроэкосистемах - перспективные современные научные направления, развивающиеся на стыке сельскохозяйственной науки, геоботаники, ландшафтоведения и экологии.

Современные исследования подтвердили, что сохранение ценных сельскохозяйственных земель и плодородия почв возможно только при создании благоприятных условий для продуктивного долголетия агроландшафтов, почвообразования и развития почвенной биоты, обеспечения активной жизнедеятельности основных почвообразователей - многолетних трав и микроорганизмов.

Многолетние травяные экосистемы выполняют важнейшие продукционные, средообразующие и природоохранные функции в агроландшафтах и оказывают значительное влияние на экологическое состояние территории страны, способствуют сохранению и накоплению органического вещества в биосфере. Благодаря многолетним травам, кормопроизводство, как никакая другая отрасль сельского хозяйства, основано на использовании природных сил, воспроизводимых ресурсов (энергии солнца, агроландшафтов, земель, плодородия почв, фотосинтеза трав, создания клубеньковыми бактериями биологического азота из воздуха).

Роль кормопроизводства и, прежде всего, лугопастбищного хозяйства и культуры многолетних трав в современных условиях, с ограничением финансовых и материальных ресурсов еще более возрастает. Требования сохранения почвенного плодородия, обеспечения продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных земель, экологизации и охраны окружающей среды выдвигают на первый план биологизацию и адаптивную интенсификацию сельского хозяйства.

Приоритетное развитие кормопроизводства, которое неразрывно связано с повышением устойчивости агроландшафтов, ориентирует и на необходимость более полного использования неисчерпаемых воспроизводимых природных ресурсов и «даровых сил природы» за счет биологизации и экологизации интенсификационных процессов в агроэкосистемах и агроландшафтах.

В основу современной системы управления и конструирования агроландшафтов положен главенствующий принцип единства экономики и экологии, гармонизации отношений человека и природы в процессе сельскохозяйственного производства.

Стратегией адаптивного сельскохозяйственного природопользования ХХІ века является целенаправленная оптимальная пространственно-временная организация современных агроландшафтов, которая должна быть наиболее адекватной их природной структуре и динамике.

В основу разработанной системы изучения, управления и конструирования агроландшафтов положен главенствующий принцип единства экономики и экологии, гармонизации отношений человека и природы в процессе сельскохозяйственного производства. Основным правилом сбалансированного взаимодействия Человека и Природы является сохранение природных экосистем, ценных сельскохозяйственных земель и плодородия почв, что возможно только при создании благоприятных условий для функционирования агроландшафтов, обеспечения сбалансированности продуктивных и протективных агроэкосистем, активной жизнедеятельности основных почвообразователей - многолетних трав и микроорганизмов, благоприятных условий для почвообразования и развития почвенной биоты.

Регламентация проведения исследований почв, атмосферного воздуха и гидросферы при осуществлении инженерноэкологических изысканий, оценки воздействия проектируемых объектов на окружающую среду и экологического мониторинга относительно формализована в виде строительных правил (СП), государственных стандартов (ГОСТ) и других руководящих документов. При проведении геоботанических исследований в настоящее время руководящие документы отсутствуют. Традиционно изучение растительности с целью оценки ее состояния включает несколько этапов. Первый - подготовительный этап - заключается в ознакомлении с природными условиями района работ и всеми имеющимися опубликованными и фондовыми материалами (данные Рослесхоза, Минсельхоза, научно-исследовательских и лесоустроительных организаций). Он включает:

- сбор и анализ картографических материалов по району ис- следований, экологическое дешифрирование аэрокосмических материалов с использованием различных видов съемок;
- сбор информации о видах и их ареалах, занесенных в федеральные и региональные списки Красных книг, от уполномоченных органов и по литературным источникам;
- изучение материалов лесоустройства, материалов системы подразделений ГИПРОЗЕМ, материалов по земельным участкам хозяйствующих субъектов;
- выбор маршрутных направлений, мест заложения пробных площадей, экотопопрофилей (трансект);
- подготовка оборудования для проведения полевых исследований.

Второй - полевой этап -включает:

- маршрутные рекогносцировочные наблюдения с покомпонентным описанием растительных сообществ и ландшафтов в целом, характеристику состояния наземных и водных экосистем, источников и признаков воздействия;
- заложение и работу на пробных площадях и на экотопопро- филях (трансектах) в изменяющихся условиях;
- сбор и работу с гербарием (сушка, перекладка, определение);
- составление геоботанических описаний, ведение полевых дневников;
- отбор проб образцов фитоматериала на химанализ, продуктивность и т. д.

Третий -камеральный этап- включает лабораторные исследования и обработку собранных данных.

Лабораторные исследования - это первичная обработка гербарного материала, подготовка образцов к анализу (разбор по компонентам, сушка, измельчение, рандомизация, взвешивание), проведение лабораторных анализов.

Обработка данных включает:

- рассмотрение и оценку полевых и лабораторных анализов;
- составление геоботанических карт;
- предложения по организации и проведению фитомониторинга в условиях существующего или предполагаемого уровня воздействия, обоснование его целесообразности применительно к виду воздействия;
- написание и защиту отчета.

Для сопряженного анализа таких сложно организованных данных, как пространственные и функциональные характеристики наземных экосистем, перспективна обработка большого объема наземной и дистанционной информации на основе ГИС [Корец, Рыжкова, Барталев].

В зависимости от целей и задач, а также от сезонных условий и особенностей района работ, при изучении растительного покрова выбирают полевые геоботанические методы или их комбинации.

Маршрутные методы исследования - класс методов, которые характеризуются проведением однократных учетов по ходу маршрута (рекогносцировка или более подробные исследования). Маршрутные исследования могут быть разными по масштабу (охватывать как небольшие участки растительности, так и значительные области), по степени точности (опираться как на чисто визуальные оценки, так и на точные методы учета роли видов в растительных сообществах). В результате маршрутных исследований может быть получена некоторая информация для построения классификации растительности, геоботанического картографирования, оценена связь с рельефом и т. д.

Метод пробных площадей (ПП) - исследование фитоценозов путем сбора информации об их признаках (покрытии, проективном обилии видов, биомассе и пр.) на пробных площадках разной формы и размеров. Наиболее часто используемый метод изучения растительных сообществ и растительного покрова в целом, являющийся основным источником информации для всех видов геоботанического исследования (классификации растительности, ординации, геоботанической индикации, изучения структуры фитоценоза).

Метод профилей - изучение растительности района на основе линейной трансекты, пересекающей ее в направлении максимального варьирования изучаемого фактора воздействия (экологического фактора, изменения рельефа) (экотопопрофиль) или ослабения (усиления) нарушений и воздействия химического загрязнения.

Стационарные методы исследования - класс методов, которые реализуются в результате многократного учета одних и тех же признаков растительности в одних и тех же точках. Стационарные исследования могут быть разными по длительности (от нескольких дней до десятков лет), они проводятся, как правило, с использованием целого арсенала различных приборов и сопровождаются изучением изменения параметров среды, т. е. являются экологическими. Их результатом является информация об экологических взаимосвязях и динамике растительности.

Экспериментальные методы исследования - класс методов, которые реализуются путем активного вмешательства в наблюдаемую растительность и среду. К таким методам относятся, например, изучение влияния удобрений на растительность и среду, создание искусственных ценозов и моделирование фитоценоти- ческих систем.

При инженерно-экологических изысканиях, как правило, ограничиваются маршрутным методом в сочетании с методом пробных площадей для изучения растительности разной степени детализации. При мониторинге стационарные площади закладываются на эколого-топографическом профиле в типичных и редких для данного района сообществах, а также в местах обитания редких видов, за популяциями которых необходимо вести наблюдения (ежегодно или с интервалами, определяемыми целями работ). Использование стационарных и экспериментальных методов исследования является в основном прерогативой специализированных научных учреждений.

Для определения области исследований (объема необходимых работ, количества ключевых участков), на подготовительном этапе определяются размеры предполагаемого воздействия на растительный покров, особенности распространения его от источника воздействия на основе «розы ветров» для данной местности и выбираются направления, вдоль которых закладывается экопрофиль с пробными площадками, или ключевые участки с обоснованием их репрезентативности в отношении источника воздействия и поставленных задач. Объем геоботанических исследований и программа мониторинга изменений растительного покрова при влиянии объекта воздействия (предприятия цветной и черной металлургии, химической промышленности и др.) могут быть определены по размерам зоны влияния как для проектируемых объектов, так и для действующих. Зона влияния устанавливается по изолинии с наибольшим радиусом удаления от источника выбросов, определяющей концентрацию загрязняющего вещества на уровне 0,05 ПДК. При локальном уничтожении растительного покрова, например, расчистке площадки под временное сооружение или под объект при новом строительстве (или расширении существующего объекта при реконструкции) требуется подробное геоботаническое описание уничтожаемой растительности. В любом случае при выборе ключевых участков с заложением на них пробных площадей нужно не только учитывать фактор воздействия, но и охватывать социально значимые объекты - зоны рекреации, сельхозугодья, особо охраняемые природные территории.

Оценка экологического воздействия на растительность производится путем сравнения т е к у щ е г о состояния экосистем с их состоянием до начала действия фактора (объекта) воздействия. При отсутствии сведений о первоначальных параметрах экосистем для сравнения выбираются ключевые участки, нс попадающие в зону влияния изучаемого фактора воздействия и являющиеся аналогичными по всем параметрам индицируемым сообществам. По существу, определение исходного состояния с целью выбора значимых параметров (индикаторов) для прогнозирования изменений является одним из этапов ОВОС, а также экологического мониторинга.

Выбор репрезентативных фоновых экосистем (эталонных участков) со сходными с изучаемыми параметрами является отдельной задачей. В некоторых случаях используются литературные источники, содержащие характеристики региональных (зональных) фитоценозов или данные стационарных наблюдений в сходных условиях среды. Критериями репрезентативности фонового ключевого участка являются следующие признаки сравниваемых экосистем (фитоценозов):

- аналогичная наименьшая классификационная ландшафтная единица (урочище, фация);
- лесорастительные условия (для лесных сообществ);
- тип элементарных почвообразовательных процессов;
- тип фитоценоза;

расположение выше по течению водотока и в сходных гидрологических условиях (для гидрофитоценозов).

Такие характеристики, как единство сукцессионной стадии, видовой состав по коэффициенту сходства-различия могут быть трансформированы под воздействием фактора воздействия и оказаться нерепрезентати вн ы м и.