Экологические исследования на стыке биологических и

Вестник ДВО РАН. 2011. № 6
УДК 57.045:550.36
Т.М.ПОБЕРЕЖНАЯ, О.В.ВЕСЕЛОВ
Экологические исследования
на стыке биологических
и геологических наук
Излагаются некоторые результаты использования геологических методов и представлений в экологических
исследованиях, проводимых в Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН. В частности, рассмотрена
связь феномена гигантизма травяных растений с зонами повышенного эндогенного теплового потока, обусловленного современными активными глубинными разломами.
Ключевые слова: вулканическая активность, биогеохимические адаптации растений, гигантизм травяных
растений, активные разломы, тепловой поток.
Ecological investigations on junction of biological and geological sciences. T.M.POBEREZHNAYA,
O.V.VESELOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).
Some results of application of geological conceptions and methods in ecological investigations in the Institute
of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS are shown. In particular, the connection of phenomena of grass plants
gigantism with the zones of the higher endogenous heat flow caused by modern active deep faults was considered.
Key words: volcanic activity, biogeochemical adaptation of plants, herbs gigantism, active faults, heat flow.
Среди сохранившихся на сегодняшний день в Институте морской геологии и
геофизики научных направлений эколого-биологическое – старейшее. Его история начинается с момента создания института. Тематика исследований за этот период претерпела
определенные изменения. В настоящее время наряду с классическими биологическими
работами проводятся совершенно новые, связанные с изучением экологической роли геологических факторов в жизни растений. Такое научное направление могло возникнуть во
многом благодаря многолетнему существованию биологического подразделения в структуре геологического института, а также уникальности исследуемого региона. Своеобразие
природных условий Сахалина и Курильских островов определяется не только островным
положением и климатическими факторами, но и особыми геолого-геофизическими условиями – высокой сейсмичностью, наличием активных разломов земной коры с повышенными эндогенными геохимическим и тепловым потоками, современной вулканической
активностью. В связи с этим научный интерес представляет изучение влияния этих факторов на формирование специфических фитоценозов и биогеохимических адаптаций растений к особым геологическим условиям.
Современные активные вулканы являются естественными поставщиками физического
и химического загрязнения в окружающую природную среду, что позволяет рассматривать их в качестве модели техногенных источников загрязнения. Так, на участках выхода
на поверхность термальных источников и парогазовых струй, в сравнении с окружающими биотопами, отмечаются повышенные температуры и концентрации серосодержащих газов в атмосферном воздухе и подстилающем субстрате. Материнский субстрат
*ПОБЕРЕЖНАЯ Татьяна Михайловна – кандидат геолого-минералогических наук, заведующая лабораторией,
ВЕСЕЛОВ Олег Васильевич – кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник (Институт
морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). *E-mail: [email protected]
43
характеризуется также аномально высокими содержаниями многих химических элементов. Эти факторы влияют на процессы биоаккумуляции в растениях.
На о-ве Кунашир нами детально изучены особенности биогеохимической адаптации к
экстремальным условиям обитания у таких растений вулканических ландшафтов, как веероцветник китайский Miscanthus sinensis Anderss., бамбучник курильский Sasa kurilensis
(Rupr.) Makino et Shibata, гортензия метельчатая Hydrangea paniculata Siebold [7]. Для сравнения с фоном образцы исследовались также на участках, где отсутствуют проявления
вулканической активности. Отмечены кроме видовых и общие закономерности биоаккумуляции, такие как проявление антагонизма между химическими элементами (например,
у молибдена с марганцем и серой, у меди с цинком и железом), что делает эти элементы
менее доступными для растений [7]. Таким образом, в естественных условиях вулканических ландшафтов, которые по многим параметрам идентичны техногенным, насыщенность материнского субстрата химическими элементами и соединениями неоднозначно
влияет на их биологическое поглощение. В условиях «геохимического» разнообразия нет
прямой зависимости между содержанием микроэлемента в подстилающем материале и
степенью его биоаккумуляции: уровень биологического накопления металлов определяется не только их содержанием в почве, но и концентрациями в почве других химических
элементов, препятствующих их поглощению. Полученные результаты имеют практическое значение при оценке загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами по степени их биоаккумуляции растениями.
В настоящее время в связи с ростом техногенного загрязнения окружающей среды весьма актуальны поиски в природных экосистемах устойчивых к избытку металлов видов и
популяций, у которых эволюционно выработаны механизмы адаптации к экстремальным
факторам почвенной среды. Проведенные нами исследования позволили выявить среди
злаков веероцветник китайский Miscanthus sinensis Anderss., биоаккумуляционные способности которого в экстремальных экологических условиях вулканических ландшафтов
усиливаются [9]. В фоновых условиях веероцветник характеризуют низкие и очень низкие содержания большинства микроэлементов, за исключением лития, содержания которого очень высокие. В экстремальных условиях обитания уровень содержания многих
элементов в золе исследуемого вида повышается с очень низкого и низкого до среднего,
а концентрации серебра достигают высокого уровня. В целом в этих условиях микроэлементы по способности накопления их выше среднего уровня веероцветником китайским
можно ранжировать следующим образом: Li (250) > Mn (7) > Ag (5) > Cr (3) > Sn (3) >
Be (3) > Ni (2,5) (в скобках кратность максимального превышения среднестатистического
коэффициента аккумуляции этих элементов растениями). Согласно современным представлениям о технологии фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв [4],
злак M. sinensis отвечает большинству требований, предъявляемых к растениям, которые
применяются в целях ремедиации почв: они должны быть толерантными к высоким содержаниям загрязняющих веществ, способными поглощать и аккумулировать несколько
металлов одновременно в высоких концентрациях. По нашим данным, в крайне неблагоприятных эколого-геохимических условиях сольфатарных полей M. sinensis способен
не только произрастать, но и поглощать из почвы и накапливать в надземной части сразу
несколько микроэлементов, в том числе тяжелые металлы, а по отношению к литию данный вид относится к растениям-гипераккумуляторам. Это позволило рекомендовать его
к использованию в специфических техногенных ландшафтах: в зоне воздействия предприятий – источников выбросов большого количества серосодержащих газов, на горных
отвалах и «хвостах» угольных и сульфидных месторождений.
Интересные, на наш взгляд, результаты получились при сочетании ландшафтно-геохимических методов и геологического подхода в исследовании причин такого уникального
природного явления, как гигантизм травяных растений [8]. Этот феномен продолжает привлекать внимание ученых-биологов [1, 2, 5]. Несмотря на многочисленные исследования,
44
вопрос о причинах гигантизма, свойственного растениям крупнотравного комплекса,
остается открытым до настоящего времени. Нашей целью был поиск новых специфических экологических факторов, способных оказывать влияние на интенсивность ростовых
процессов у представителей крупнотравья. Свои усилия мы направили прежде всего на
изучение геологических и ландшафтно-геохимических условий в местах, занятых крупнотравьем.
Полученные нами ранее результаты позволили предположить, что места произрастания трав гигантских размеров связаны с зонами активных тектонических нарушений,
которые являются своеобразными каналами, поставляющими к дневной поверхности дополнительное тепло, вещество (такие микроэлементы, как Р, Ge, Co, Y, La, Zn и углеводороды нефтяного ряда) и воду, посредством которой и осуществляется тепломассоперенос
[8]. Возможно, это является одной из важнейших причин гигантизма травяных растений.
Связь этого явления с активными разломами объясняет его существование не только на
Сахалине и Курильских островах, но и в районах с другими климатическими условиями,
где существует высокая тектоническая активность – на Камчатке, Алтае, Кавказе.
На наш взгляд, именно повышенный тепловой поток Земли играет определяющую
роль в проявлении гигантизма травяных растений. Температура почвы является важнейшим экологическим фактором, влияющим на протекающие в ней биотические и абиотические процессы. Повышенный поток эндогенного тепла по активным разломам земной
коры может быть причиной отмеченных сахалинскими биологами видового разнообразия, несвойственного местным климатическим условиям, и активности микробиоты в
почвах под крупнотравьем [5]. Очевидно, что дополнительное эндогенное тепло, компенсирующее его «климатический» недостаток, благоприятно отражается на микробной
активности в почвах, которая имеет важнейшее значение в скорости протекания процессов минерализации органического вещества и в биологической стимуляции ростовых
процессов растений.
С целью дальнейшего изучения роли эндогенного теплового потока был поставлен
совместный эколого-геофизический эксперимент по выявлению зависимости высоты
растений от удельной плотности глубинного теплового потока. Хотелось бы подробнее
рассказать об этом эксперименте и его результатах как примере нетрадиционных исследований, проводимых на стыке биологических и геологических наук.
Эксперимент был проведен на Южно-Луговском геофизическом полигоне. Полигон
расположен в пределах Южно-Луговского газового месторождения на восточном борту южной части Центрально-Сахалинского сейсмоактивного глубинного разлома. Зона
Центрально-Сахалинского разлома в целом характеризуется повышенными значениями
теплового потока относительно остальной территории о-ва Сахалин [3]. Наблюдения за
высотой растений вели на одном из геофизических профилей протяженностью 2,5 км, пересекающем однообразный ландшафт, с привязкой к пикетам, где в течение трех лет с
июля по ноябрь выполнялись высокоточные термометрические наблюдения [6].
При измерениях температуры во всех точках заданного профиля (через 50 м в шпурах
глубиной 1,5 м) температурными датчиками, внедренными на одинаковую глубину и в
литологически близкий по составу грунт, исключается влияние как солнечной радиации,
так и всех периодических и сезонных колебаний приземного воздуха. На температурном
профиле при такой съемке отображается влияние только особенностей теплового потока,
не зависящего от времени года [10]. Использовались отечественные электротермометры
типа ТЭТ-2, запрессованные в дюралевые трубки диаметром 12 мм. Поверка температурных датчиков осуществлялась в лабораторных условиях с помощью образцовых ртутных
термометров ТР-1. Точность измерений составляла ± 0,05°С.
Графики температур, полученные на исследуемом геофизическом профиле, имеют
характерную конфигурацию, отражающую особенности теплового поля месторождения
(рис. 1). По результатам температурных наблюдений отмечена очевидная корреляционная
45
Рис. 1. Температура грунта на глубине 1,5 м на геофизическом профиле Южно-Луговского полигона. Штриховая
линия – фоновая температура грунта в законтурном пространстве
связь температурных максимумов с участками локальных залеганий газа. Блоки газонасыщенной структуры проявляют себя в термальном поле в виде относительных максимумов.
Температуры внутри контура газоносности выше температур за контуром, определяемых
как фоновые, в среднем на два градуса.
Крупнотравье на экспериментальном полигоне представлено преимущественно рейнутрией сахалинской Reynoutria sachalinensis (Fr. Schmidt) Nakai и в меньшей степени шеломайником (лабазником) камчатским Filipendula camtschatica (Pall.) Maxim. Анализ высоты растений на геофизическом профиле показал прямую зависимость между размерами
растений и величиной температуры материнских грунтов (рис. 2). Особенно сильно варьирует высота рейнутрии: от 190 см на участке с относительно низкой средней температурой
почвообразующих грунтов (9,9°С) до 400 см на участке с повышенными температурами
(11,3°С). Высота шеломайника изменяется от 165 см (10,4°С) до 240 см
(11,2°С). Необходимо отметить, что
исследованный профиль проходит
большей частью по заброшенным
сельскохозяйственным полям, заросшим различными злаками, преимущественно овсяницей луговой
Festuca pratensis Huds. и трищетинником сибирским Trisetum sibiricum
Rupr. Злаки, доминирующие на профиле, не были специальным объектом наших наблюдений, так как
они не относятся к крупнотравному
комплексу, типичные представители
которого проявляют гигантизм. Однако по ходу маршрута вдоль геофизического профиля невозможно
было не обратить внимание на четко выраженную разницу в высоте
Рис. 2. Прямая зависимость высоты растений от температуры
злаков на границе газовой залежи,
грунтов. Зл. – злаки, Ш. – шеломайник камчатский, Р. – рейнутрия сахалинская
характеризующейся повышением
46
температуры в поверхностных горизонтах. Средняя высота злаков за контуром газовой
залежи составляет 140 см, а над залежью с более высокой температурой грунтов – 180 см.
Объектом исследований являлись также крупнотравные сообщества на островах Сахалино-Курильского региона с разными значениями теплового потока. Установлено, что
наименьшими размерами отличаются типичные представители крупнотравья и злаков на
Шикотане, характеризующемся аномально низкими значениями (см. таблицу).
Максимальные размеры растений, отмеченные авторами
на Сахалине и южных Курильских островах, см
Объект наблюдения
Юг Сахалина
Кунашир
Итуруп
Шикотан
Шеломайник камчатский
Какалия мощная
Рейнутрия сахалинская
Крестовник коноплелистный
Злаки
Средние значения теплового потока, мВт/м2
250
–
400
–
180
54,2
270
–
–
310
205
96
320
405
–
–
–
96
180
320
–
90
80
46
Примечание. Прочерк – наблюдения отсутствуют.
Таким образом, была выявлена прямая связь между высотой растений крупнотравного комплекса и величиной эндогенного теплового потока на островах. Постоянно повышенные температуры в корнеобитаемом слое могут оказывать прямое воздействие на интенсивность роста путем увеличения скорости обменных процессов и косвенное – через
активизацию почвенной микробиоты, отмеченную в местах проявления травяного гигантизма. Полученные данные подтверждают высказанное ранее предположение о том, что
эндогенное тепло является одной из важнейших причин гигантизма травяных растений.
В заключение следует отметить, что многие факты, накопленные биологической наукой, не всегда возможно объяснить только с эколого-биологических позиций. Здесь необходим комплексный подход, учитывающий и биологические аспекты, и геолого-геофизические особенности биотопов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белая Г.А., Морозов В.Л. Дальневосточное крупнотравье как особый тип растительности // Ботан. журн.
2000. Т. 85, № 10. С. 75–81.
2. Белая Г.А., Степанова К.Д. Некоторые элементы водного режима крупнотравья Камчатки // Комаровские
чтения. Владивосток, 1972. Вып. 20. С. 26–33.
3. Веселов О.В., Соинов В.В. Тепловой поток Сахалина и южных Курильских островов // Геодинамика
тектоносферы зоны сочленения Тихого океана с Евразией. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 1997. Т. 4.
С. 154–172.
4. Галиулин Р.В., Галиулина Р.Р. Технология фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв
// Междунар. сотрудничество в биотехнологии: Ожидания и реальность: материалы 3-й междунар. конф.
Пущино, 2006. – http://www.rusbio.biz/ru/nb2006_21shtml (дата обращения: 21.04.2009).
5. Зимина Т.А., Насонова С.В., Тен Хак Мун, Федорова Л.В. О росте и экологии некоторых представителей
сахалинского крупнотравья // Растения и факторы внешней среды. Южно-Сахалинск, 1966. С. 3–15.
(Тр. СахКНИИ АН СССР; вып. 17).
6. Паровышный В.А., Веселов О.В., Сеначин В.Н., Кириенко В.С. Временные изменения геофизических
полей над газовой залежью // Тихоокеан. геология. 2008. Т. 27, № 4. С. 3–15.
7. Побережная Т.М., Копанина А.В. Биогеохимические и анатомические особенности растений в местах
проявления современного вулканизма // Сибир. экол. журн. 2011. Т. 18, № 2. С. 285–292.
8. Побережная Т.М., Копанина А.В. К вопросу о причинах травяного гигантизма // Экология. 2009. № 4.
С. 258–263.
9. Побережная Т.М. Особенности накопления микроэлементов Miscanthus Sinensis Anderss. (Poaceae) в условиях вулканической активности // Растит. ресурсы. 2011. Т. 47, вып. 2. С. 129–135.
10. Чекалюк Э.Б., Федорцов И.М., Осадчий В.Г. Полевая геотермическая съемка. Киев: Наук. думка, 1974.
104 с.
47