Методы геоботанических исследований. Методы геоботанических исследований введение

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.

Наиболее значимые научные результаты, которые могут быть достигнуты в период до 2030 г., охватывают: создание систем мониторинга, оценки и прогнозирования состояния окружающей среды, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; перспективные технологии поиска и разведки минеральных ресурсов; высокоэффективные безопасные методы морской разведки и добычи углеводородов в экстремальных природно-климатических условиях. Их разработка и внедрение приведут к более рациональному использованию минерально-сырьевой базы страны и повышению эффективности ее воспроизводства, снижению уровня загрязнения окружающей среды, минимизации ущерба от природных и техногенных катастроф.

В среднесрочный период будут активно проводиться исследования и разработки в области экологически чистых материалов и продуктов; программного обеспечения и геоинформационных систем; оборудования и материалов для повышения эффективности добычи и переработки полезных ископаемых; раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

1. Сохранение благоприятной окружающей среды и обеспечение экологической безопасности:

Изучение изменений климата и экстремальных климатических событий с использованием перспективных подходов к анализу климатообразующих факторов.

Реконструкция ретроспективной и оценка современной динамики криосферы, в т.ч. многолетнемерзлых грунтов и ледников, а также прогноз ее изменений.

Формирование прогноза переноса и трансформации загрязняющих веществ в окружающей среде, включая микро- и наночастицы.

Оценка изменений экологического состояния ландшафта и его компонентов, эрозионно-русловых процессов, биогеохимических потоков, биопродуктивности и биоразнообразия, а также водных объектов и их систем.

Оценка и прогнозирование комплексного воздействия природных и техногенных факторов на состояние здоровья и жизнедеятельность населения в условиях изменяющегося климата и окружающей среды.

Разработка систем рационального природопользования в условиях городов и агломераций, размещения хозяйства и населения.

Оптимизация схем территориального планирования в соответствии с ландшафтной структурой и эколого-ресурсным потенциалом.

Ожидаемые результаты: снижение уровня негативного воздействия хозяйственной деятельности (образования отходов производства и потребления, выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, сбросов в водные объекты) на природную среду и здоровье населения; разработка и применение экологически эффективных технологий мирового уровня в основных отраслях экономики.

2. Мониторинг состояния окружающей среды, оценка и прогнозирование чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера:

Оценка состояния и динамики ресурсов водных и наземных экосистем, восстановления ресурсного потенциала территорий с высокой антропогенной нагрузкой (почвы, водных и биоресурсов).

Экологический мониторинг и прогнозирование состояния природной среды в крупных промышленных городах и на особо охраняемых природных территориях береговых зон, акваторий и подземных вод.

Технологии инструментального контроля выбросов/сбросов загрязнений в атмосферу, водные объекты, почву.

Технологии получения, передачи и использования информации о состоянии окружающей среды и ее изменениях с использованием наземных, воздушных, космических и других средств.

Технологии и системы раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Технологии обеспечения безопасности производственных и энергетических опасных объектов, в т.ч. химических и нефтехимических производств, горных предприятий, высоконапорных плотин и гидроэлектро- и атомных станций.

Технологии управления экологическими рисками при освоении морских нефтегазовых месторождений в акваториях, в т.ч. покрытых льдом районах.

Технологии создания и актуализации кадастров территорий и акваторий с наибольшим уровнем экологического риска.

Технологии и системы предупреждения трансграничного негативного воздействия на окружающую среду.

Ожидаемые результаты: системы мониторинга, оценки и прогнозирования состояния окружающей среды, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, изменений климата, необходимые для последующего внедрения современных технологий снижения уровня негативного воздействия на экономику и здоровье населения.

3. Изучение недр, поиск, разведка и комплексное освоение минеральных и углеводородных ресурсов, а также техногенного сырья:

Поисково-разведочные работы, в т.ч. в новых районах добычи, удовлетворяющие экономическим и экологическим требованиям, разработка Геофизических методов разведки нефти и газа в нетрадиционных геологических условиях, оценка продуктивности нефтеносных пластов, методы поиска зон возможного рудопроявления.

Методы увеличения нефтеотдачи, включая направленное изменение коллекторских свойств пластов, позволяющее повысить коэффициент извлечения углеводородного сырья, в т.ч. на истощенных месторождениях и месторождениях низконапорного газа.

Утилизация попутного нефтяного газа.

Получение и использование нетрадиционных источников сырья, в т.ч. углеводородного, включая "тяжелые нефти", газогидраты, сланцевый газ и др.

Физико-технические и физико-химические технологии переработки высокогазоносных угольных пластов с предотвращением выбросов шахтного метана, в т.ч. для производства газообразных и жидких синтетических углеводородов.

Технологии эффективной переработки твердых полезных ископаемых, включая энергосберегающую комплексную переработку труднообогатимого природного и техногенного минерального сырья с высокой степенью концентрации минеральных комплексов.

Использование в промышленных масштабах отходов добычи и переработки полезных ископаемых.

Ожидаемые результаты: рациональное использование минерально-сырьевой базы и ее воспроизводство благодаря современным технологиям поиска и разведки минеральных ресурсов, в т.ч. обеспечение прироста запасов углеводородного сырья, в первую очередь нефти.

Изучение закономерностей организации растительных сообществ, их динамики и разнообразия проводится под общим руководством проф. В.С. Ипатова.

Разработаны система ценоэлементов растительного покрова и динамическая система классификационных единиц, новая концепция конкуренции. Впервые раскрыта система всех взаимоотношений растений, существующих в одном типе леса. В ходе исследований взаимодействий растений в лесных ценозах выявлен механизм дифференциации деревьев в древостое, особенности формирования крон деревьев в условиях конкуренции, показана трансформация среды каждым из ярусов леса. Особое внимание уделено изучению фитогенных полей деревьев, которое проводится с применением новейших методов (исследования под руководством доц. М.Ю. Тиходеевой и в.н.с. В.Х. Лебедевой) – например, позволяющих оценить изменения бактериальных сообществ в почве; фитогенных полей крупных трав (работы под руководством доц. М.Ю. Тиходеевой и доц. Д.М. Мирина), а также развитию и возрастной структуре субпопуляций вегетативно подвижных видов (И.Д. Гребенников).

Динамические процессы в растительном покрове изучаются на примере восстановительных сукцессий на территориях, нарушенных при индустриальном освоении (исследования под руководством проф. О.И. Суминой). В результате разработана единая классификация растительности техногенных местообитаний Крайнего Севера России; выделены и охарактеризованы группы видов первичной сукцессии, различающиеся по эколого-ценотическому поведению; выявлены закономерности формирования пространственной структуры растительных сообществ и предложена методика типизации рисунка растительного покрова на начальных этапах сукцессии; установлены закономерности формирования растительного покрова на экотопически гетерогенной территории; создана поливариантная модель первичной сукцессии растительности на техногенно нарушенных землях. В последнее время активно ведутся совместные с микологами и почвоведами СПбГУ комплексные работы, цель которых - выяснение механизмов формирования (начиная с «нуль-момента») функциональных связей в наземных экосистемах.

Долговременные изменения растительности изучаются в лесостепи (доц. Д.М. Мирин) и лесной зоне (доц. А.Ф. Потокин и доц. В.Ю. Нешатаев). Перспективным направлением является исследование эпиксильных микросукцессий на стволах поваленных деревьев в хвойных лесах северо-запада (асс. Е.В. Кушневская), позволяющее получить материалы для обоснования критериев выделения биологически ценных участков леса. Методика определения биологически ценных лесов (БЦЛ) имеет большое практическое значение, и в настоящее время работы в данной области постоянно востребованы. Ряд сотрудников кафедры (И.А.Сорокина, Е.В.Кушневская, Д.М.Мирин, В.Ю.Нешатаев и др.) не только участвуют в выполнении заявок организаций на выявление и обследование БЦЛ, но и осуществляют руководство студентами, специализирующимися по этой тематике.

Картографирование и мониторинг растительности охраняемых природных территорий, начатые на кафедре Заслуженным экологом России доц. Ю.Н. Нешатаевым, остается важным и востребованным практикой направлением работ (исследования доц. В.Ю. Нешатаева, доц. А.Ф.Потокина, асс. Н.Ю. Нацваладзе, асс. Е.М. Копцевой). Крупно- и среднемасштабные геоботанические карты, ставшие основой для разработки природоохранных мероприятий, сотрудниками и студентами кафедры выполнены для территорий государственных заповедников «Лес на Ворскле» (ныне «Белогорье»), «Башкирский», «Кроноцкий», «Дальневосточный Морской», «Кургальский» и других. В последние годы проводятся исследования уникальных болот Лапландского заповедника и нелесной растительности международного биосферного заповедника «Пасвик».

Необходимость решения задач устойчивого использования природных ресурсов и создания оптимальной структуры древесных насаждений требует углубленного изучения законов формирования крон древесных видов в онтогенезе. Современные представления о модульной организации растений – основа исследований структуры крон древесных растений (местных и интродуцированных). Эти работы проводятся на территории России в разных природных зонах. Применение методов математического моделирования при описании крон позволяет составить прогноз развития особей. На основе полученных данных разработана система иерархических единиц структуры крон древесных, показаны их изменения под действием внешней среды (работы под руководством доц. И.С. Антоновой). Полученные материалы привлекаются для оценки состояния городских насаждений и пригородных парков. Изучение богатейшего наследия российских мастеров садово-паркового искусства XVIII-XIX вв. - одно из традиционных прикладных направлений научной деятельности кафедры.

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.