Влияние инвазивных видов растений на устойчивость сложившейся экосистемы города Лабытнанги

 

В статье рассмотрена одна из экологических проблем, связанная с последствиями расселения некоторых видов растений в новых для них местах обитания. Процесс внедрения в естественный растительный покров чуждых аборигенной флоре видов растений называют адвентизацией. В новых местообитаниях адвентивные виды зачастую находят более благоприятные условия существования, быстро распространяются и вытесняют местные виды. Крайней степенью акклиматизации и адаптации адвентивного вида в новых условиях считается его натурализация (инвазия), то есть активное внедрение в естественные сообщества с последующим агрессивным вытеснением аборигенной флоры и фауны. Современное состояние антропогенных ландшафтов, наличие в их составе больших площадей нарушенных и неухоженных земель с синантропной растительностью благоприятствуют распространению биологических инвазий. Проведённое исследование направлено на поиск и совершенствование механизмов по предупреждению появления и расселения видов агрессоров. В ходе исследования выявлена необходимость законодательного регулирования процесса адвентизации, выявлены масштабы распространения отдельных инвазивных видов. Оценка биологических особенностей инвазивного вида позволила выявить причины успеха инвазии и акклиматизации инвазивного вида в регионе.

Ключевые слова: инвазивные виды, адвентизация, виды агрессоры, эврибионты.

 

Введение: Обитатели Земли постоянно пытаются расселиться по планете. Кроме этого, человек в хозяйственных или декоративных целях поселяет полезные (для него) виды растений и животных в совершенно новых для них местах. Ещё больше видов он перемещает случайно. Последствия от внедрения чужеродных видов в экосистемы могут быть разными: «пришельцы» могут изменять среду обитания местных видов; они могут вытеснять их в конкурентной борьбе за ресурсы; они могут быть хищниками; наконец, они могут переносить возбудителей заболеваний или сами вызывать заболевания аборигенных видов. Процесс внедрения в естественный растительный покров чуждых аборигенной флоре видов растений называют адвентизацией. В новых местообитаниях адвентивные виды зачастую находят более благоприятные условия существования, быстро распространяются и вытесняют местные виды. Крайней степенью акклиматизации и адаптации адвентивного вида в новых условиях произрастания считается его натурализация (инвазия), то есть активное внедрение в естественные сообщества с последующим агрессивным вытеснением  аборигенной флоры и фауны.

Актуальность темы исследования. Современное состояние антропогенных ландшафтов, наличие в их составе больших площадей нарушенных и неухоженных земель с синантропной растительностью благоприятствуют распространению биологических инвазий. Инвазии могут стать настоящим экологическим бедствием для регионов с неустойчивыми экологическими системами и агрессивно вытеснять коренные виды.

Проблема исследования Расселение инвазивных видов в сложившихся экосистемах может существенно изменить биологическое разнообразие аборигенной флоры и фауны. Недооценка этого факта может привести к необратимым экологическим последствиям.

Цель исследования: выявить негативные последствия появления и расселения растений агрессоров на территории города Лабытнангии, предложить наиболее рациональные способы по предупреждению их распространения и устранению уже имеющихся.

Задачи: выявить какие растения агрессоры присутствуют на территории города Лабытнанги; выяснить какую опасность представляют растения агрессоры для экосистемы города; проследить причинно-следственные связи влияния растений агрессоров на экосистему города; получить консультации компетентных специалистов, контролирующих экологическое состояние города; предложить методы по предупреждению их распространения на территории города и устранению имеющихся.

Объект исследования: экосистема города Лабытнанги.

Предмет исследования: биологические инвазии в экосистеме города Лабытнанги.

Теоретические методы исследования: изучение научной литературы по проблемам экологической стабильности; конструирование гипотезы; анализ результатов исследования; прогнозирование развития экологической ситуации.

Практические методы исследования: лабораторные опыты; наблюдение; (фотографирование) объекта исследования; отслеживание динамики численности  и расселения объекта исследования; анализ результатов (сравнение и сопоставление степени влияния предмета исследования на изменение экологического состояния экосистемы); статистическая обработка полученных результатов; консультации со специалистами.

Гипотеза исследования: если я докажу, что обнаруженные на территории города инвазивные виды растений быстро расселяются и представляют реальную опасность для сложившейся экосистемы города, то это послужит стимулом для совершенствования механизмов по предупреждению их распространения и устранению имеющихся, а также выработки механизмов индивидуальной защиты человека от их воздействия.

Материалы и методы Виды сами по себе способны мигрировать. Однако, часто причиной распространения является человек: завоз новых видов и сортов растений в качестве декоративных, пищевых или лекарственных, выведение новых селекционных форм. Большинство растений агрессоров имеют высокий уровень адаптации, быстро заселяют новые территории, вытесняя коренные виды. Большинство агрессоров являются эврибионтами и способны существовать в широком диапазоне природных условий и выдерживать их значительные изменения. Эврибионтные организмы имеют морфофизиологические механизмы, позволяющие им поддерживать постоянство своей внутренней среды даже при резких колебаниях условий окружающей среды.

Адвенты постепенно захватывают территорию. Какое-то время они «выжидают», адаптируясь в природе на протяжении нескольких поколений. Обычно процесс адаптации занимает 20–25 лет, после чего начинается процесс распространения. Проблема инвазий не только биологическая, но и экономическая: «пришельцы» агрессивно меняют захватываемые территории, вынуждая другие виды вступать с ними в противостояние. Яркий пример растения-агрессора — Борщевик. Его Родина – Кавказ. Там он растёт в горах, в альпийском поясе, и вниз не спускается. В 40-х годах прошлого века начались опыты по его интродукции в России. Привлекала большая и быстрорастущая биомасса, которую можно использовать на корм скоту. Но оказалось, что молоко при использовании такого корма горчит. Опыты прекратили, но было уже поздно. Борщевик очень быстро распространился по средней полосе России, он легко дичает и проникает в естественные экосистемы. Продвигаясь на север, вдоль железных и автомобильных дорог, по лесным полянам, по долинам рек за 50 лет он распространился от Закарпатья до Заполярья. Продвигаясь на север, у него укорачивается жизненный цикл, растение быстрее развивается — это самая главная адаптация к северным условиям. У него очень активно идут микроэволюционные процессы, быстро появляются новые генотипы, приспособленные к новым условиям. Сейчас это настоящая катастрофа — борщевик вездесущ. В некоторых регионах борщевик полностью вытесняет аборигенную флору.

Существует несколько видов борщевика. Борщевик гигантский (Heracleum giganteum) был завезён в Европу как декоративное растение примерно в 1817 году. Своим «монументальным» видом он привлек внимание ландшафтных дизайнеров. В отличие от борщевика гигантского, другие виды этого рода меньше, но тоже имеют внушительные размеры. Примером могут служить борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi) и борщевик шероховато-окаймлённый (Heracleum Trachyloma Fisch).

Продуктивность семян борщевика феноменальна. Огромные соцветия достигают в диаметре 90 см. Суммарная численность семян с одного растения составляет 15-20 тысяч штук за сезон. Семена борщевика имеют выросты, которые способствуют их активному распространению. Биологический способ борьбы с инвазивным видом есть — найти питающееся им животное. В случае с борщевиком это очень трудно сделать, так как он относится к многочисленному семейству зонтичных, а у них общие враги. Опасным борщевик делают ядовитые вещества, выделяемые им в атмосферу – фуранокумарины и эфирные масла, которые при попадании на кожу делают её чувствительной к солнечному свету, что провоцирует фотохимические ожоги. Если долго находиться вблизи растения, то выделяемые им вещества могут вызвать болезненные состояния: тошноту, рвоту, головную боль, потерю сознания. Ожоги борщевиком могут привести и к летальному исходу. Самым опасным из всех видов борщевиков является борщевик Сосновского.

Ученые занесли «злостных нарушителей границ нашей Родины» в специальную «Черную книгу флоры России». Занесение растения в «черный список» означает курс на его уничтожение. В ней содержатся подробные сведения о 52 наиболее агрессивных и широко распространенных инвазивных видах. [Характеристика инвазионных видов флоры Средней России по степени натурализации и инвазионному статусу (invasive status)]. Экологи проследили динамику их расселения и отметили её на картах, оценили экономический ущерб от вселенцев, предложили методы по контролю их численности и даже дали рекомендации по их возможному использованию. Опубликован чёрный список из 100 других чужеродных видов растений, за которыми надо присматривать, чтобы предотвратить их появление на нашей территории [Перечень и документация ЕОКЗР. Инвазивные чужеродные растения].

Биологические инвазии создают проблемы не только экономические, но и социальные. Экологи вывели простое правило: чем больше в стране доход на душу населения, тем интенсивнее инвазионные процессы, так как остается меньше ненарушенных природных территорий, которые только и могут оказать сопротивление видам-вселенцам. Искусственные посадки, парки, поля сдаются без боя. Россия вовлечена в глобальный инвазионный процесс, поэтому на базе Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцева РАН создан информационный портал «Чужеродные виды РФ». На нём представлены инвазионные виды разных таксономических групп, определены наиболее опасные. Готовится к изданию «Российский журнал биологических инвазий». Одной из основных задач экологов должно стать создание информационных ресурсов, так как проблема биологических инвазий — важнейшая для обеспечения экологической безопасности региона и страны.

Изучив флору экосистемы города Лабытнанги на предмет присутствия инвазивных видов, я обнаружила очаги произрастания растений рода Борщевик. Обнаруженные растения похожи на Сныть Обыкновенную, Купырь Лесной, и Дя́гиль Лека́рственный (Ду́дник Лека́рственный), принадлежащие к семейству Зонтичные. Для определения принадлежности обнаруженных экземпляров растений к роду Борщевик был использован определитель растений [Определитель растений on-line; http://www.plantarium.ru/]. Различия обнаруженных экземпляров растений с выше перечисленными наблюдаются в характере мест произрастания, размерах растений, размерах и форме соцветий (сложных зонтиков), толщине стебля, строению листьев, характеру края листовой пластинки. Основной отличительный признак растений рода Борщевик заключается в присутствии фуранокумаринов в соке листьев и стеблей растений, в высокой концентрации.

Обнаруженные мною растения действительно принадлежат к виду Борщевик Сосновского. Для определения присутствия фуранокумаринов была выбрана методика высокоэффективной жидкостной хроматографии И. Н. Азарова, С. С. Барсегян, Г. И. Барам (базы данных «ВЭЖХ-УФ»). Принципы унифицированной ВЭЖХ – методики сводится к анализу веществ, включенных в определенный список. Анализ проводится в одной и той же хроматографической системе, причём для каждого из определяемых веществ имеется стандартный образец, по которому получены хроматографические данные, подтверждённые спектральным анализом. Данные о стандартных образцах веществ формируют базу данных, что позволяет идентифицировать анализируемые образцы. Институтом хроматографии «ЭкоНова», г. Новосибирск создана первая в мире База хроматографических и спектральных данных («БД-2003») для микроколоночного жидкостного хроматографа «Милихром А-02». Методики формирования и использования «БД-2003» аттестованы Государственным комитетом РФ по стандартизации и метрологии [14-16] в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.563-96 и ГОСТ Р ИСО 5725-2002. Идентификацию веществ можно проводить в любой лаборатории, основная работа сводится к визуальному сравнению и подбору цветовой гаммы у анализируемого образца с цветовой гаммой стандартного образца.

Для обнаружения фуранокумаринов в соке растения я срезала небольшие побеги с листьями, произрастающих на разных экспериментальных площадках. Со срезанных побегов приготовила вытяжку. Для этого измельчила срезанные побеги в ступке, добавила 10 мл воды и пропустила через фильтр. Смочила полоску хроматографической бумаги в фильтрате, после этого поднесла её к УФ- лампе. На бумаге появилось красно-кирпичное окрашивание, такой результат является качественным показателем присутствия фуранокумаринов. Присутствие фуранокумаринов в обнаруженных мною растениях подтверждает принадлежность этих растений к роду Борщевик.

С целью отслеживания изменения численности и расселения объекта исследования на контрольных территориях мною были определены экспериментальные площадки, произведён учёт обнаруженных экземпляров растений рода Борщевик в течение трёх лет, проведён анализ полученных результатов.

Год	Исследуемая зона
	Территория городского парка	Пустырь за городом	Пустырь в черте города	Прибрежная территория реки Вылпосл
2014 г	2 экземпляра	2 экземпляра	1 экземпляр	2 экземпляра
2015 г	2 экземпляра	4 экземпляра	7 экземпляров	2 экземпляра
2016 г	6 экземпляров	18 экземпляров	24 экземпляра	3 экземпляра

Вывод: численность представителей растений рода Борщевик на всех контрольных площадках увеличивается.

С целью изучения семян растений рода Борщевик на предмет всхожести мною был произведён сбор семян с растений с выбранных экспериментальных площадок (осень), проведено наблюдение за хранением семян в соответствии с параметрами условий окружающей среды и последующим их проращиванием в искусственных условиях.

Исследуемая зона
Территория городского парка		Пустырь за городом		Пустырь в черте города		Прибрежная территория реки Вылпосл
Количество семян взятых для анализа	Количество проросших семян / %	Количество семян взятых для анализа	Количество проросших семян /%	Количество семян взятых для анализа	Количество проросших семян /%	Количество семян взятых для анализа	Количество проросших семян /%
10	0	10/100%	6 /60 %	10/100%	4/ 40 %	10/100%	2 / 20%

Анализ полученных результатов:

1. Количество проросших семян, собранных с экспериментальных площадок, различно.
2. Нулевую всхожесть семян, собранных с растений, произраставших на территории городского парка можно объяснить тем, что территория была несколько раз скошена. На вновь выросших растениях за короткий вегетационный период в условиях Крайнего Севера не успели сформироваться полноценные семена. Кроме этого, территория парка затенена зданиями и произраставшими там деревьями, что также замедляет рост растений.
3. Наибольшая всхожесть наблюдается у семян, собранных с растений, произраставших на пустыре за городом. Это легко объяснимо: территория не скашивается, не вытаптывается, не затеняется, хорошо прогревается.
4. Средняя всхожесть наблюдается у семян, собранных с растений, произраставших на пустыре в черте города (привокзальная территория). Несмотря на то, что территория была скошена, растения успели сформировать достаточное количество полноценных семян. Почва этой территории удобрена перегноем, хорошо освещена и в меру увлажнена.
5. Слабую всхожесть продемонстрировали семена, собранные с растений, с прибрежной зоны реки Вылпосл. Это объясняется тем, что территория долго находится в затопленном состоянии, что значительно укорачивает вегетационный период. Излишняя увлажнённость почвы также снижает благоприятные для произрастания условия.

На одной из контрольных площадок мною произведён эксперимент по уничтожению нескольких экземпляров борщевика различными способами: выкапывание корней, срезание надземной массы, обработка гербицидами (раундап, глифосат, ураган), сжиганием зонтиков с созревшими семенами. Из механических методов хороший эффект дал метод выкапывания и уничтожения корней на ранних стадиях развития растения, однако этот метод весьма трудоёмкий, и его применение осложняет непосредственный контакт с частями растения, что очень опасно. Срезание надземной массы оказалось эффективным только при многократном применении, так как из оставшейся части стебля снова отрастает цветонос и до осени (с учётом полярного дня), на нём успевают сформироваться семена. Соцветия способны дозревать даже после того, как надземная масса была срезана. Запас питательных веществ в мощных стеблях обеспечивает дозревание семян. На месте срубленных растений, до того как у них созрели семяна, на следующий год отмечены новые всходы. Применение химических средств борьбы эффективно, особенно если обработка была проведена в начале вегетации, пока растения еще невысокие, но применение этого метода на больших территориях экономически затратно. Срезание и сжигание зонтиков неэффективно, так как на растении формируются боковые побеги, которые формируют цветоносы. В итоге на одном растении могут находиться зонтики с различной степенью зрелости семян, и к моменту срезания семян на одном зонтике, с другого часть семян уже успевает осыпаться.

На основе проведённого эксперимента я пришла к следующим выводам:

1.                Работу по уничтожению борщевика необходимо проводить в течение нескольких лет до полного истребления растения, и делать это до того, как у растений появятся семена, причем не менее двух раз за лето.
2. Если борщевик распространился на большой территории, то эффективнее всего использовать гербициды, и после очистки территории землю перекопать, засеять травами как можно гуще. Лучше всего подходят виды, присущие данному региону и хорошо отрастают после покоса. Для этих целей подходят: ежа, овсяница красная, овсяница побегоносная, луговой райграс, мятлик – то есть те растения, что в газонных смесях.

Результаты и обсуждения: Адвентивные растения должны быть объектом пристального экологического мониторинга и контроля их численности, так как они вызывают «флористическое загрязнение» территории [Чичев А. В. «Флористическое загрязнение» // Состояние, перспективы изучения и проблемы охраны природных территорий. – М.: МОИП, 1988], что может привести к значительному снижению биологического разнообразия. Территории, занятые адвентивной флорой, могут осложнить экологическую и экономическую ситуацию в регионе и нанести серьезный урон здоровью населения. Убытки, которые причиняют сорные виды, равны убыткам от вредителей, болезней и природных катаклизмов, вместе взятых [Игнатов Н.–Н., Экономические убытки от растений вредителей, 1989].

В ходе проведения исследования на территории города мною был обнаружен как минимум один вид, существенно угрожающий целостности экосистемы города и региона – борщевик Сосновского. Экосистема тундры не отличается биологическим разнообразием, следовательно, степень её устойчивости не высока. В результате исследования выявлены масштабы распространения Борщевика. Летом наша семья ездит в отпуск на автомобиле, поэтому наблюдения, проведённые в как в ходе поездки, так и проведённые в непосредственно в нашем городе, позволяют оценить масштаб бедствия. Оценка биологических особенностей изучаемых видов позволила выявить причины успеха инвазий и акклиматизации их в регионе. Это позволило сформулировать следующие выводы:

1. Вид Борщевик Сосновского является агрессивным, высоко конкурентным растением.
2. При внедрении в любые сообщества он быстро становится доминантом с высокой долей участия (в некоторых местах до 90%).
3. На контрольных территориях выявлена интенсивная положительная динамика численности особей растений Борщевика Сосновского.
4. Мониторинг численности особей на контрольных территориях показал, что распространение Борщевика Сосновского зависит от ряда факторов: погодные условия в период вегетации, освещённость, состав и структура почвы, увлажнённость почвы.
5. Проведённые опыты по контролю численности растений Борщевика Сосновского показали хорошую эффективность применённых методов.

Специалистам, контролирующим развитие экологической ситуации в регионе и муниципалитете, следует спрогнозировать варианты возможных видоизменений экосистем, так как последствия от внедрения всего одного вида могут быть непоправимыми. Самым актуальным аспектом биологической безопасности являются предвидение генетических, экологических и экономических последствий преднамеренной и непреднамеренной интродукции инвазивных видов. Повышение осведомленности об опасности является ключевым элементом эффективной стратегии борьбы с инвазивными видами. Необходимо наличие практического руководства для борьбы с угрозами, связанными с инвазивными чужеродными видами в различных природных системах.

Рекомендации по борьбе с инвазивными растениями

В ходе исследования мною разработаны рекомендации по борьбе с инвазивными растениями. В общей борьбе с растениями - «мигрантами» посильное участие должны принять все жители города. Только так можно ликвидировать возникшие очаги с явным присутствием адвентивных видов и сохранить аборигенные виды. Биологическая инвазия — как инфекция: справиться с ней можно, только если подавить в зародыше. На первом этапе необходима информационная кампания за счёт средств массовой информации. На данный момент информирование населения относительно биологических инвазий и их последствий попросту отсутствует. На втором этапе должен быть разработан комплекс мер с учёт максимального спектра возможных  методов борьбы. Возможно использование следующих методов: карантинные (не допустить появление сорняка всегда легче, чем потом с ним бороться), агротехнические (простое подкашивание растений в определенные сроки – до начала их цветения, тогда вновь отросшие побеги не успевают формировать семена), химические (наиболее эффективно применение гербицидов), биологические (создание сообществ из растений более конкурентно способных), биологические (методы борьбы с помощью вредителей, например – листоедов).

Чтобы объективно контролировать развитие экологической ситуации с чужеродными видами, необходимо научиться прогнозировать и предотвращать нашествие вселенцев, постоянно следить за распространением биологических агрессоров. Только жёсткий контроль за распространением агрессоров позволит сохранить структуру и биоразнообразие сформированных экосистем на далекую перспективу.

Практическая значимость исследования

В результате проведённого исследования: выявлен факт присутствия инвазивных видов в составе растительных сообществ региона; проведен мониторинг за изменением численности на контрольных территориях одного из инвазивных видов; прослежены основные пути миграции инвазивных видов; предложены мероприятия по контролю численности инвазивных видов. Полученные материалы могут быть использованы в работе карантинной службы при разработке практических рекомендаций по борьбе с инвазивными видами.  Сведения о распространении и биологии карантинного сорного растения могут использоваться учителями на уроках биологии и экологии.

 

Литература:

 

1. Агафонов В. А., Абрамова Л. М. Адвентивный компонент флоры антропогенно-трансформированных фитоценозов г. Воронежа и его окрестностей // Геоботаника XXI века. Мат-лы Всеросс. науч. конф. Воронеж. 1999. С. 158-159.
2. Адвентивная и синантропная флора России и стран ближнего зарубежья: состояние и перспективы. Матер. III междунар. науч. конф.1. Ижевск, 2006. 124 с.
3. Борисова Е. А. О натурализации адвентивных видов // Флористические исследования в Центральной России. Мат-лы науч. конф. «Флора Центральной России, Липецк, 1-3 февр. 1995. – М., 1995. С.24-27
4. Бурда Р. И. Антропогенная трансформация флоры. Киев: Наукова думка, 1991. – 168 с.
5. Вьюкова Н. А. Новые материалы к характеристике адвентивной флоры // Бюлл. МОИП, отд. биол. 1983. – Т. 88. – N 1. – С. 128-132.
6. Гельтман Д. В. Понятие «инвазивный вид» и необходимость изучения этого явления // Проблемы изучения адвентивной и синантропной флоры в регионах СНГ. Матер, науч. конф. Москва-Тула. – 2003. – С. 35-36.
7. Игнатов М. С. Об особенностях расселения адвентивных растений // Проблемы изучения адвентивной флоры СССР (Мат-лы совещания. 1-3 февраля 1989 г.). Москва. 1989. С. 15-17.
8. Миркин Б. М., Наумова Л. Г. Адвентивизация растительности: инвазивные виды и инвазибельность сообществ // Успехи соврем, биологии. – 2001. – Т. 121. – №6.–С. 550-562.
9. Миркин Б. М., Наумова Л. Г. Адвентивизация растительности в призме идей современной экологии // Журн. общ. биологии. 2002. – Т. 63. – № 6. – С. 489-497.
10.            Массовая концентрация УФ-поглощающих веществ. Методика выполнения измерений методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. № ФР.1.31.2003.00950.
11.            Хроматографические и спектральные параметры УФ-поглощающих веществ. Методика выполнения измерений методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. № ФР.1.31.2003.00951.
12.            Массовая концентрация УФ-поглощающих веществ. Методика выполнения измерений методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. № ФР.1.31.2006.02966.
13.            Азарова И. Н., Барсегян С. С., Барам Г. И. Новые возможности высокоэффективной жидкостной хроматографии: Базы данных «ВЭЖХ-УФ». (В сборнике «Хроматография на благо России». Под ред. Курганова А.А.) М: Граница, 2007. С. 653-665.
14. Чичев А. В. «Флористическое загрязнение» // Состояние, перспективы изучения и проблемы охраны природных территорий. – М.: МОИП, 1988, с. 69-70.