Змеиная почва
Змеевидная почва — это необычный тип почвы , образованный выветрелыми ультраосновными породами , такими как перидотит и его метаморфические производные, такие как серпентинит . Точнее, серпентиновая почва содержит минералы подгруппы серпентина , особенно антигорит , лизардит и хризотил или белый асбест, которые обычно встречаются в ультраосновных породах. Термин «змеевик» обычно используется для обозначения как типа почвы, так и группы минералов, образующих ее исходные материалы.
Змеевидные почвы обладают отличными химическими и физическими свойствами и обычно считаются плохими для сельского хозяйства. Почва часто имеет красноватый, коричневый или серый цвет из-за высокого содержания железа и низкого содержания органических веществ. С геологической точки зрения районы с серпентиновой коренной породой обычно крутые, каменистые и уязвимы для эрозии, из-за чего многие серпентиновые почвы довольно неглубокие. [1] Неглубокие почвы и редкая растительность приводят к повышенным температурам почвы. [2] и сухие условия. [1] Из-за своего ультраосновного происхождения серпентиновые почвы также имеют низкое соотношение кальция и магния и низкий уровень многих необходимых питательных веществ, таких как азот (N), фосфор (P) и калий (K). Змеевидные почвы содержат высокие концентрации тяжелых металлов, в том числе хрома, железа, кобальта и никеля. [3] В совокупности эти факторы создают серьезные экологические проблемы для растений, живущих в змеевидных почвах.
Родительская порода
[ редактировать ]Серпентинит — это метамагматическая порода, образовавшаяся в результате метаморфической реакции богатой оливином породы перидотита с водой. Серпентинит имеет пестрый, зеленовато-серый или голубовато-серый цвет, часто восковидный на ощупь. Порода часто содержит белые прожилки хризотила, которые являются разновидностью природного асбеста . Асбест связан с множеством заболеваний человека, таких как мезотелиома, в результате длительного воздействия вдыхания частиц пыли. Следует соблюдать осторожность при работе на змеевидных почвах или при работе с измельченными змеевидными камнями.
Серпентинит чаще всего образуется в океанической коре у поверхности Земли, особенно там, где вода циркулирует в остывающих породах вблизи срединно-океанических хребтов : массы образующихся ультраосновных пород обнаруживаются в офиолитах , включенных в континентальную кору вблизи нынешних и прошлых границ тектонических плит .
Серпентиновые почвы образуются из ультраосновных пород. Ультраосновные породы — это магматические или метаморфические породы, которые содержат более 70% минералов железа или магния. [4]
Распределение
[ редактировать ]
Змеевидные почвы широко распространены на Земле, отчасти отражая распространение офиолитов . Выходы серпентиновых почв имеются на Балканском полуострове, в Турции, на Ньюфаундленде , на острове Кипр , в Альпах, на Кубе, в Новой Каледонии. [2] В Северной Америке серпентиновые почвы также присутствуют на небольших, но широко распространенных участках на восточном склоне Аппалачей на востоке США. [5] Однако в Калифорнии находится большая часть змеевидных почв континента.
Ботаника
[ редактировать ]
С экологической точки зрения серпентиновые почвы имеют три основные характеристики: низкую продуктивность растений, высокий уровень эндемизма и типы растительности, отличные от соседних территорий. [6]
Сообщества змеевидных растений варьируются от влажных болот и топей до каменистых пустошей и должны быть способны переносить суровые условия окружающей среды такой бедной почвы. В результате они часто резко отличаются от участков незмеевидных почв, граничащих с серпентиновыми почвами. [4] Растительные характеристики часто являются общими для всех типов флоры, встречающихся на змеевидных почвах. У них будет «замедленный» рост с тусклыми восковыми серо-зелеными листьями (как у Eriogonum libertini ), которые позволяют удерживать воду и отражать солнечный свет соответственно. [7] Другие возможные фенотипические черты включают пигментированные стебли (как у Streptanthus Howellii ) и иногда плотоядную природу, как у Darlingtonia Californica . Некоторые примеры распространенных растений, устойчивых к змеевику, включают серую сосну ( Pinus sabiniana ), сосну Джеффри ( Pinus jeffreyi ), калифорнийскую сирень ( Ceanothus sp. ), мансаниту ( Arctostaphylos sp. ), живой дуб ( Quercus sp. ), калифорнийский красный бутон ( Cercis occidentalis ) . ), конский каштан ( Aesculus Californica ), лавр калифорнийский ( Umbellularia Californica ), а также папоротники Aspidotis densa и Polystichum lemmonii .
Участки змеевидной почвы также являются домом для разнообразных растений, многие из которых являются редкими или исчезающими видами, такими как Acanthomintha duttonii , Pentachaeta bellidiflora и Phlox hirsuta . В Калифорнии 45% таксонов, связанных со змеевиками, являются редкими или находятся под угрозой исчезновения. [8] такие кустарники, как дуб кожистый ( Quercus durata ) и мансанита прибрежная белолистная ( Arctostaphylos viscida ssp. pulchella ). В Калифорнии для змеевидных почв типичны [4]
Чтобы преодолеть химические и физические проблемы, создаваемые змеевидными почвами, растения выработали устойчивость к засухе, тяжелым металлам и ограниченному количеству питательных веществ. [4] Низкое соотношение кальция и магния приводит к ограничению роста и активности корней, ослаблению клеточных мембран и снижению поглощения необходимых питательных веществ. [9] Адаптивный механизм к почвам с высоким содержанием магния выделяет больше ресурсов глубоко растущим корням. [7] Тяжелые металлы замедляют рост, вызывают дефицит железа, вызывают хлороз и ограничивают развитие корней. [9] [7] Множественные механизмы адаптации к тяжелым металлам включают исключение металлов путем ограничения их поглощения корнями, компартментализацию металлов в различных органах или развитие толерантности к токсичности. [7] На участках с низким содержанием азота физиологические воздействия на растения включают нарушение синтеза белка, хлороз , снижение тургора листьев, уменьшение количества листьев и побегов, снижение скорости роста и низкую урожайность семян. [9] Низкий уровень фосфора вызывает аналогичные эффекты с низким содержанием азота, но также приводит к уменьшению размера семян, снижению соотношения корней и побегов и увеличению водного стресса. [9] Низкая влажность почвы приводит к снижению поглощения и транспортировки питательных веществ, уменьшению открытия устьиц и снижению фотосинтетической способности, а также снижает рост и продуктивность растений. [9] Змеевидные растения имеют сильно развитую корневую систему, облегчающую поглощение воды и питательных веществ. [7] Например, Noccaea fendleri (также известная как пенни-трава Фендлера) является гипераккумулятором никеля, а Sedum laxum отличается сочностью . В некоторых случаях симбиозы с толерантными к серпентину эктомикоризными растениями помогают облегчить адаптацию растений к эдафическим стрессорам на серпентине. [7]
Адаптация к змеевидным почвам развивалась неоднократно. [7] [4] [1] [10] Растения, устойчивые к змеевикам, эволюционно моложе, чем незмеевидные растения. [11] Неоднородность змеиных сообществ в сочетании с их неоднородным распределением ограничивает поток генов, но способствует видообразованию и диверсификации. [11] Неоднородность среды обитания вносит важный вклад в уровень эндемизма и биоразнообразия в этой системе. Хотя неоднородное распространение объясняется высокой скоростью видообразования в змеиных сообществах, с этим связан ряд проблем. Пространственная изоляция от источника и других популяций ограничивает поток генов . [4] что может сделать эти группы населения уязвимыми к изменению условий окружающей среды. Кроме того, существует высокий поток генов в незмеевидных сообществах, что может вызвать генотипическое загрязнение , гибридизацию и нежизнеспособное потомство. [4]
Биоремедиация
[ редактировать ]Уникальные растения, выживающие в змеевидных почвах, используются в процессе фиторемедиации , разновидности биоремедиации . Поскольку эти растения разработали специальные приспособления к высоким концентрациям тяжелых металлов, их стали использовать для удаления тяжелых металлов из загрязненной почвы. [12]
Змеиные пустоши
[ редактировать ]
Змеиные пустоши — это уникальный экорегион, обнаруженный в некоторых частях Соединенных Штатов но широко распространенных участках Аппалачей и прибрежных хребтов Калифорнии на небольших , , Орегона и Вашингтона. [13] Богатые видами архипелаги сообществ составляют 1,5% территории штата. [ указать ] В Калифорнии 10% растений штата являются эндемиками змеевидных. Пустыни залегают на обнажениях измененных ультраосновных офиолитов .
Они названы по минералам группы серпентина , образующим серпентиновые почвы с необычайно высоким содержанием железа , хрома , никеля и кобальта . Змеиные пустоши, как в Грасс-Вэлли, Калифорния , часто состоят из лугов или саванн в районах, где климат обычно приводит к росту лесов. [14]
Змеевидные почвы можно использовать для выращивания сельскохозяйственных культур и пастбищ для выпаса скота. Это можно сделать, добавив в почву достаточное количество гипса. Добавляя гипс, можно добиться более благоприятного соотношения кальция и магния, создавая лучший баланс питательных веществ для растений. Однако это может иметь последствия для выпаса скота. В статье из журнала «Микроэлементы в медицине и биологии» отмечается, что у 20% пасущихся животных были токсичные уровни никеля в почках, а у 32% — токсичные уровни меди в печени. [15] Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, окажет ли это потенциально негативное влияние на здоровье человека в отношении потребления говядины.
Примеры
[ редактировать ]Природная зона «Солдаты восхищаются» в округе Балтимор, штат Мэриленд , занимает 1900 акров бесплодной змеиной местности. На территории произрастает более 38 редких, находящихся под угрозой исчезновения видов растений; а также редкие насекомые, камни и минералы. [16]
Природный заповедник Рок-Спрингс в округе Ланкастер, штат Пенсильвания, представляет собой территорию площадью 176 акров (71 га), охраняемую Охраной природы округа Ланкастер , и является ярким примером змеиной бесплодной местности. Первоначально это был луг, но тушение лесных пожаров привело к превращению этой территории в лес. В этой пустоши обитает редкая астра змеевидная ( Symphyotrichum depauperatum ), а также ряд редких видов бабочек и шкиперов . [17]
В округе Честер, штат Пенсильвания , Ноттингемский парк, также известный как Змеиные пустоши, был рекомендован UMCES как заслуживающий статуса национального природного памятника по многим причинам. Они включали поддержку ряда редких и эндемичных видов, нетронутой популяции смоляной сосны , а также участка, имеющего историческое значение. [14] С 1979 года организация по охране природы работает с местным сообществом над защитой и сохранением нескольких участков в Змеиных пустошах государственной линии, где обитает эта хрупкая среда обитания. [18]
Еще один пример — змеиные пустоши Бак-Крик в национальном лесу Нантахала в округе Клэй, Северная Каролина . Доминирующими типами горных пород являются серпентинизированные дуниты и оливины с различной глубиной почвы от 0 до 60 сантиметров (от 0 до 24 дюймов), а обнажения горных пород составляют 5–10% местного ландшафта. Национальная классификация растительности США для этого сообщества - «Бесплодные ультраосновные обнажения южной части Голубого хребта» и считается уникальной для района Бак-Крик. В 1995 году Лесная служба США начала активное природоохранное управление этим участком, в первую очередь с предписанных контролируемых выжиганий , которые, наряду с некоторым ручным снятием покрова, оказались успешными в восстановлении популяций ранее редких видов. В дополнение к более чем 20 видам растений, внесенным в список охраняемых территорий, в 2004 году была описана астра Рианнона ( Symphyotrichum rhiannon ), которая является эндемиком этих пустынь. [19]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Брэди, Кристи У.; Крукеберг, Артур Р.; Брэдшоу-младший, HD (2005). «Эволюционная экология адаптации растений к серпантиновым почвам». Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики . 36 : 243–266. doi : 10.1146/annurev.ecolsys.35.021103.105730 .
- ^ Jump up to: а б Крукеберг, Артур Р. (2002). Геология и растительная жизнь: влияние форм рельефа и типов горных пород на растения . Вашингтонский университет Press. ISBN 978-0-295-98203-8 . OCLC 475373672 . [ нужна страница ]
- ^ Кьяруччи, Алессандро; Бейкер, Алан Дж. М. (2007). «Достижения экологии серпентиновых почв» . Растение и почва . 293 (1–2): 1–2. Бибкод : 2007ПлСой.293....1С . дои : 10.1007/s11104-007-9268-7 . S2CID 35737876 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Крукеберг, Артур Р. (2006). Знакомство с почвами и растениями Калифорнии: серпантин, весенние пруды и другие геоботанические чудеса . Издательство Калифорнийского университета. ISBN 978-0-520-23372-0 . OCLC 928683002 . [ нужна страница ]
- ^ Данн, Кевин Т. (1988). Следы на Аппалачах: естественная история серпентина в восточной части Северной Америки . Нью-Брансуик: Издательство Университета Рутгерса. ISBN 0-8135-1323-5 . [ нужна страница ]
- ^ Уиттакер, Р.Х. (1954). «Экология серпантиновых почв». Экология . 35 (2): 258–288. Бибкод : 1954Ecol...35..258W . дои : 10.2307/1931126 . JSTOR 1931126 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Харрисон, Сьюзен ; Раджакаруна, Нишанта (2011). Серпантин: эволюция и экология модельной системы . Издательство Калифорнийского университета. ISBN 9780520268357 . OCLC 632224033 . [ нужна страница ]
- ^ Саффорд, HD; Вирс, Дж. Х.; Харрисон, СП (2005). «Змеиный эндемизм во флоре Калифорнии: база данных о змеином родстве» . Мадроньо . 52 (4): 222. doi : 10.3120/0024-9637(2005)52[222:SEITCF]2.0.CO;2 .
- ^ Jump up to: а б с д и Зефферман, Эмили; Стивенс, Йенс Т.; Чарльз, Грейс К.; Данбар-Ирвин, Мила; Эмам, Таране; Фик, Стивен; Моралес, Лаура В.; Вольф, Кристина М.; Янг, Дерек Дж. Н.; Янг, Трумэн П. (2015). «Растительные сообщества в суровых условиях менее подвержены вторжению: резюме наблюдений и предлагаемые объяснения» . Растения АОБ . 7 : plv056. дои : 10.1093/aobpla/plv056 . ПМЦ 4497477 . ПМИД 26002746 .
- ^ Арнольд, Брайан Дж.; Ланер, Бретт; Дакоста, Джеффри М.; Вейсман, Кэролайн М.; Холлистер, Джесси Д.; Солт, Дэвид Э.; Бомблис, Кирстен; Янт, Леви (2016). «Заимствованные аллели и конвергенция в змеиной адаптации» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 113 (29): 8320–5. Бибкод : 2016PNAS..113.8320A . дои : 10.1073/pnas.1600405113 . ПМЦ 4961121 . ПМИД 27357660 .
- ^ Jump up to: а б Анакер, Брайан Л.; Уиттолл, Джастен Б.; Гольдберг, Эмма Э.; Харрисон, Сьюзен П. (2011). «Происхождение и последствия змеиного эндемизма во флоре Калифорнии» . Эволюция . 65 (2): 365–76. дои : 10.1111/j.1558-5646.2010.01114.x . ПМИД 20812977 . S2CID 22429441 .
- ^ Институт перспективных исследований НАТО по фиторемедиации почв, загрязненных металлами, Морель Ж.-Л., Эчеваррия Г. и Гончарова Н. (2006). Фиторемедиация почв, загрязненных металлами. Научная серия НАТО, т. 68. Дордрехт: Springer.
- ^ Андерсон, Роджер К. и др., Саванны, пустоши и растительные сообщества Северной Америки, гл. 19, Издательство Кембриджского университета, 1999 г., ISBN 0-521-57322-X
- ^ Jump up to: а б «Оценка змеиных пустошей Ноттингемского парка», UMCES-AL, дата обращения 10 мая 2009 г.
- ^ Миранда, М.; Бенедито, JL; Бланко-Пенедо, И.; Лопес-Ламас, К.; Мерино, А.; Лопес-Алонсо, М. (2009). «Накопление металлов у крупного рогатого скота, выращенного на серпантинной почве: взаимосвязь между концентрациями металлов в почве, кормах и тканях животных». Журнал микроэлементов в медицине и биологии . 23 (3): 231–8. дои : 10.1016/j.jtemb.2009.03.004 . ПМИД 19486833 .
- ^ «Министерство природных ресурсов Мэриленда - Служба Мэриленд-Парк» . Архивировано из оригинала 08.11.2012 . Проверено 7 ноября 2012 г. [ нужна полная цитата ]
- ^ «Природный заповедник Рок-Спрингс», веб-сайт Охраны природы округа Ланкастер, получено 10 мая 2009 г. Архивировано 22 февраля 2009 г., в Wayback Machine.
- ^ «Места, которые мы защищаем: Змеиные пустоши Стейт-Лайн, Пенсильвания», дата обращения 20 июля 2020 г.
- ^ USFS (nd). «Восстановление змеиных пустошей Бак-Крик, район рейнджеров Таскити, национальный лес Нантахала» . www.fs.fed.us. Лесная служба США , Министерство сельского хозяйства США . Архивировано из оригинала 4 сентября 2021 года . Проверено 4 сентября 2021 г.
- Уиттакер Р.Х., Уокер Р., Крукеберг А., «Экология серпентиновых почв». Отделение xxxРадиологической службы. 1954. стр. 258–275. Интернет. http://www.californiachaparral.com/images xxx/Whittaker_Eco_of_Serpentine_Soils_1954_II.pdf. Проверено 05.2017.
- Департамент природных ресурсов. «Природные сообщества-Змеиные луга». Мэриленд.gov. xxxWeb. http://dnr2.maryland.gov/wildlife/Pages/plants_wildlife/serpentine.aspx. Доступ : xxx05/2017.
- Эллис, М. «Следует ли нам беспокоиться по поводу асбеста в Змеиной скале?». Залив Природа. 2013. Интернет. https://baynature.org/article/should-we-be-worried-about-asbestos-in-serpentine-rock/ . Доступ 05/2017.
- Калифорнийский университет. «Деревья и кустарники для серпантинов Северной Калифорнии xxxLandscapes». Отдел сельского хозяйства и природных ресурсов. 2009. Интернет. http://anrкаталог . xxxucanr.edu/pdf/8400.pdf. По состоянию на 05.2017.
- Министерство сельского хозяйства США. «Змееподобные почвы и адаптации растений». Министерство сельского хозяйства США. Веб. https://www.fs.fed.us/wildflowers/beauty/serpentines/adaptations.shtml По состоянию на 5 мая 2017 г.
