stringtranslate.com

Серпентиновая почва

Solidago multiradiata , Erigeron aureus и Adiantum aleuticum на каменистой серпантинной почве

Серпентиновая почва — необычный тип почвы , образованный выветренной ультраосновной породой, такой как перидотит и ее метаморфическими производными, такими как серпентинит . Точнее, серпентиновая почва содержит минералы подгруппы серпентина , особенно антигорит , лизардит и хризотил или белый асбест, все из которых обычно встречаются в ультраосновных породах. Термин «серпентин» обычно используется для обозначения как типа почвы, так и группы минералов, которые образуют ее исходные материалы.

Серпентиновые почвы обладают особыми химическими и физическими свойствами и, как правило, считаются плохими почвами для сельского хозяйства. Почва часто имеет красноватый, коричневый или серый цвет из-за высокого содержания железа и низкого содержания органических веществ. Геологически районы с серпентиновыми коренными породами характеризуются крутыми, каменистыми и уязвимыми к эрозии, что делает многие серпентиновые почвы довольно мелкими. [1] Мелкие почвы и скудная растительность приводят к повышенным температурам почвы [2] и сухим условиям. [1] Из-за своего ультраосновного происхождения серпентиновые почвы также имеют низкое соотношение кальция к магнию и имеют низкий уровень многих основных питательных веществ, таких как азот (N), фосфор (P) и калий (K). Серпентиновые почвы содержат высокие концентрации тяжелых металлов, включая хром, железо, кобальт и никель. [3] В совокупности эти факторы создают серьезные экологические проблемы для растений, обитающих в серпентиновых почвах.

Родительская порода

Серпентинит — метамагматическая порода, образованная в результате метаморфической реакции богатой оливином породы, перидотита , с водой. Серпентинит имеет пятнистый, зеленовато-серый или голубовато-серый цвет и часто восковой на ощупь. Порода часто содержит белые полосы хризотила, проходящие через нее, которые являются разновидностью встречающегося в природе асбеста . Асбест связан с рядом заболеваний человека, таких как мезотелиома, возникающих из-за длительного воздействия вдыхания частиц пыли. Следует соблюдать осторожность при работе в серпентиновых почвах или при работе с измельченными серпентиновыми породами.

Серпентинит чаще всего образуется в океанической коре вблизи поверхности Земли, особенно там, где вода циркулирует в остывающих породах вблизи срединно-океанических хребтов : массы образовавшейся ультраосновной породы обнаруживаются в офиолитах , включенных в континентальную кору вблизи современных и прошлых границ тектонических плит .

Серпентиновые почвы происходят из ультрамафических пород. Ультрамафические породы — это магматические или метаморфические породы, которые содержат более 70% минералов железа или магния. [4]

Распределение

Змеевидный выступ высоко в заповеднике Сискию на северо-западе Калифорнии. Здесь доминирует сосна Джеффри .

Серпентиновые почвы широко распространены на Земле, частично отражая распространение офиолитов . Выходы серпентиновых почв есть на Балканском полуострове, в Турции, Ньюфаундленде , острове Кипр , в Альпах, на Кубе и в Новой Каледонии. [2] В Северной Америке серпентиновые почвы также присутствуют в небольших, но широко распространенных районах на восточном склоне Аппалачских гор на востоке Соединенных Штатов. [5] Однако в Калифорнии находится большая часть серпентиновых почв континента.

Ботаника

Солдаты восхищаются природной средой в Мэриленде

С экологической точки зрения серпентиновые почвы имеют три основные черты: низкую продуктивность растений, высокий уровень эндемизма и типы растительности, которые отличаются от соседних территорий. [6]

Сообщества растений серпентинов варьируются от влажных болот и топей до каменистых пустошей и должны быть способны переносить суровые условия окружающей среды такой плохой почвы. В результате они часто резко отличаются от несерпентиновых почвенных областей, граничащих с серпентиновыми почвами. [4] Вегетативные характеристики часто являются общими для типов флоры, встречающихся на серпентиновых почвах. Они будут демонстрировать «замедленный» рост с тусклыми восковыми, серо-зелеными листьями (наблюдаемыми у Eriogonum libertini ), которые позволяют удерживать воду и отражать солнечный свет соответственно. [7] Другие возможные фенотипические признаки включают пигментированные стебли (как видно у Streptanthus howellii ) и иногда плотоядную природу, как видно у Darlingtonia californica . Некоторые примеры распространенных растений, устойчивых к серпентину, включают серую сосну ( Pinus sabiniana ), сосну Джеффри ( Pinus jeffreyi ), калифорнийскую сирень ( Ceanothus sp. ), манзаниту ( Arctostaphylos sp. ), живой дуб ( Quercus sp.), калифорнийский багряник ( Cercis occidentalis ), калифорнийский конский каштан ( Aesculus californica ), калифорнийский лавр ( Umbellularia californica ), а также папоротники Aspidotis densa и Polystichum lemmonii .

Области серпентиновой почвы также являются домом для разнообразных растений, многие из которых являются редкими или находящимися под угрозой исчезновения видами, такими как Acanthomintha duttonii , Pentachaeta bellidiflora и Phlox hirsuta . В Калифорнии 45% таксонов, связанных с серпентином, являются редкими или находящимися под угрозой исчезновения. [8] В Калифорнии кустарники, такие как дуб кожаный ( Quercus durata ) и манзанита прибрежная белолистная ( Arctostaphylos viscida ssp. pulchella ) типичны для серпентиновых почв. [4]

Чтобы преодолеть химические и физические проблемы, связанные с серпентиновыми почвами, растения выработали толерантность к засухе, тяжелым металлам и ограниченному количеству питательных веществ. [4] Низкое соотношение кальция и магния приводит к ограниченному росту и активности корней, слабым клеточным мембранам и снижению усвоения необходимых питательных веществ. [9] Адаптивный механизм к почвам с высоким содержанием магния выделяет больше ресурсов глубоко растущим корням. [7] Тяжелые металлы задерживают рост, вызывают дефицит железа, вызывают хлороз и ограничивают развитие корней. [9] [7] Множественные адаптивные механизмы к тяжелым металлам включают исключение металлов путем ограничения усвоения корнями, компартментализацию металлов в различных органах или развитие толерантности к токсичности. [7] На участках с низким содержанием азота физиологические эффекты 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 низкого содержания азота, но также приводит к уменьшению размера семян, снижению соотношения корней к побегам и повышению 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 производительность растений. [9] Растения змеевиковых имеют сильно развитую корневую систему, что способствует поглощению воды и питательных веществ. [7] Например, Noccaea fendleri (также известная как пенни-трава Фендлера) является гипераккумулятором никеля, а Sedum laxum выражает сочность . В некоторых случаях симбиоз с толерантной к змеевику эктомикоризой помогает облегчить адаптацию растений к эдафическим стрессорам на змеевиковых. [7]

Адаптация к серпентиновым почвам развивалась многократно. [7] [4] [1] [10] Растения, устойчивые к серпентиновым, эволюционно моложе, чем несерпентиновые растения. [11] Гетерогенность серпентиновых сообществ в сочетании с их неоднородным распределением ограничивает поток генов, но способствует видообразованию и диверсификации. [11] Гетерогенность среды обитания является важным фактором уровня эндемизма и биоразнообразия в этой системе. Хотя неоднородное распределение объясняется высокими темпами видообразования в серпентиновых сообществах, с этим связан ряд проблем. Пространственная изоляция от источника и других популяций ограничивает поток генов , [4] что может сделать эти популяции уязвимыми к изменяющимся условиям окружающей среды. Кроме того, существует высокий поток генов с несерпентиновыми сообществами, что может вызвать генотипическое загрязнение , гибридизацию и нежизнеспособное потомство. [4]

Биоремедиация

Уникальные растения, выживающие в серпентиновых почвах, использовались в процессе фиторемедиации , разновидности биоремедиации . Поскольку эти растения выработали специализированные адаптации к высоким концентрациям тяжелых металлов, их использовали для удаления тяжелых металлов из загрязненной почвы. [12]

Змеиные пустоши

В отличие от большинства экосистем, в серпентиновых пустошах ближе к ручью наблюдается меньший рост растений из-за токсичных минералов в воде.

Серпентиновые пустоши — уникальный экорегион , встречающийся в некоторых частях Соединенных Штатов на небольших , но широко распространенных территориях Аппалачских гор и прибрежных хребтов Калифорнии , Орегона и Вашингтона. [13] Богатые видами архипелаги сообществ составляют 1,5% площади штата. [ указать ] В Калифорнии 10% растений штата являются эндемиками серпентинов. Пустоши встречаются на выходах измененных ультраосновных офиолитов .

Они названы в честь минералов группы серпентина , что приводит к образованию серпентиновых почв с необычно высокой концентрацией железа , хрома , никеля и кобальта . Серпентиновые пустоши, как в Грасс-Вэлли, Калифорния , часто состоят из лугов или саванн в районах, где климат обычно способствует росту лесов. [14]

Серпентиновые почвы можно изменить, чтобы поддерживать урожай и пастбища для выпаса скота. Это можно сделать, добавив достаточное количество гипса в почву. Добавляя гипс, можно добиться более благоприятного соотношения кальция и магния, что позволит улучшить баланс питательных веществ для растений. Однако это может иметь последствия для выпаса скота. В статье из журнала « Трацейные элементы в медицине и биологии» говорится, что у 20% пасущихся животных в почках обнаружены токсичные уровни никеля, а у 32% — токсичные уровни меди в печени. [15] Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, может ли это потенциально оказать негативное влияние на здоровье человека, поскольку оно касается потребления говядины.

Примеры

Зона окружающей среды Soldiers Delight в округе Балтимор, штат Мэриленд , охватывает 1900 акров серпантинной бесплодной земли. На этой территории произрастает более 38 редких, находящихся под угрозой исчезновения и находящихся под угрозой исчезновения видов растений; а также редкие насекомые, камни и минералы. [16]

Серпентайн Барренс в природном заповеднике Рок-Спрингс, округ Ланкастер, Пенсильвания

Заповедник Рок-Спрингс в округе Ланкастер, штат Пенсильвания, представляет собой территорию площадью 176 акров (71 га), охраняемую Lancaster County Conservancy, которая является ярким примером змеевидной пустоши. Изначально это был луг, но подавление лесных пожаров привело к превращению этой территории в лес. Эта пустошь содержит редкую змеевидную астру ( Symphyotrichum depauperatum ), а также ряд редких видов моли и прыгунчиков . [17]

В округе Честер, штат Пенсильвания , парк Ноттингем, также известный как Serpentine Barrens, был рекомендован UMCES как заслуживающий обозначения Национальной природной достопримечательности по многим причинам. Они включали поддержку ряда редких и эндемичных видов, нетронутую популяцию смоляной сосны , а также то, что место имеет историческое значение. [14] С 1979 года Nature Conservancy работала с местным сообществом для защиты и сохранения нескольких участков в State-Line Serpentine Barrens, которые являются домом для этой хрупкой среды обитания. [18]

Buck Creek Serpentine Barrens в Национальном лесу Нантахала в округе Клэй, Северная Каролина , является еще одним примером. Доминирующими типами пород являются серпентинизированный дунит и оливин , с переменной глубиной почвы от 0 до 60 сантиметров (от 0 до 24 дюймов) и выходами скальных пород, составляющими 5–10% местного ландшафта. Национальная классификация растительности США для этого сообщества - «Бесплодные ультрамафические обнажения Южного Голубого хребта», и считается, что они уникальны для района Buck Creek. В 1995 году Лесная служба США начала активное управление охраной природы на этом участке, в первую очередь с помощью предписанных контролируемых выжиганий , которые, наряду с некоторым ручным удалением покрова, были успешными в восстановлении популяций ранее редких видов. В дополнение к более чем 20 видам растений, занесенным в список охраняемых, в 2004 году была описана астра Рианнон ( Symphyotrichum rhiannon ), которая является эндемиком этих пустошей. [19]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Брэди, Кристи У.; Крукеберг, Артур Р.; Брэдшоу-младший, HD (2005). «Эволюционная экология адаптации растений к серпентиновым почвам». Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics . 36 : 243–266. doi :10.1146/annurev.ecolsys.35.021103.105730.
  2. ^ ab Kruckeberg, Arthur R (2002). Геология и растительная жизнь: влияние форм рельефа и типов горных пород на растения . University of Washington Press. ISBN 978-0-295-98203-8. OCLC  475373672.[ нужна страница ]
  3. ^ Chiarucci, Alessandro; Baker, Alan JM (2007). «Достижения в экологии серпентиновых почв». Plant and Soil . 293 (1–2): 1–2. Bibcode : 2007PlSoi.293....1C. doi : 10.1007/s11104-007-9268-7 . S2CID  35737876.
  4. ^ abcdefg Крукеберг, Артур Р. (2006). Введение в почвы и растения Калифорнии: серпентин, весенние лужи и другие геоботанические чудеса . Издательство Калифорнийского университета. ISBN 978-0-520-23372-0. OCLC  928683002.[ нужна страница ]
  5. ^ Данн, Кевин Т. (1988). Следы на Аппалачах: Естественная история серпентина в восточной части Северной Америки . Нью-Брансуик: Издательство Ратгерского университета. ISBN 0-8135-1323-5.[ нужна страница ]
  6. ^ Уиттекер, Р. Х. (1954). «Экология серпентиновых почв». Экология . 35 (2): 258–288. Bibcode : 1954Ecol...35..258W. doi : 10.2307/1931126. JSTOR  1931126.
  7. ^ abcdefg Харрисон, Сьюзен ; Раджакаруна, Нишанта (2011). Серпентин: эволюция и экология модельной системы . Издательство Калифорнийского университета. ISBN 9780520268357. OCLC  632224033.[ нужна страница ]
  8. ^ Safford, HD; Viers, JH; Harrison, SP (2005). «Эндемизм змеиных в флоре Калифорнии: база данных о родстве змеиных». Madroño . 52 (4): 222. doi :10.3120/0024-9637(2005)52[222:SEITCF]2.0.CO;2.
  9. ^ abcde Зефферман, Эмили; Стивенс, Йенс Т.; Чарльз, Грейс К.; Данбар-Ирвин, Мила; Эмам, Таранех; Фик, Стивен; Моралес, Лора В.; Вольф, Кристина М.; Янг, Дерек Дж. Н.; Янг, Трумэн П. (2015). «Растительные сообщества в суровых местах менее подвержены вторжениям: сводка наблюдений и предлагаемые объяснения». AoB Plants . 7 : plv056. doi :10.1093/aobpla/plv056. PMC 4497477 . PMID  26002746. 
  10. ^ Арнольд, Брайан Дж.; Ланер, Бретт; Дакоста, Джеффри М.; Вайсман, Кэролайн М.; Холлистер, Джесси Д.; Солт, Дэвид Э.; Бомбли, Кирстен; Янт, Леви (2016). «Заимствованные аллели и конвергенция в адаптации серпентинов» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 113 (29): 8320–5. Bibcode : 2016PNAS..113.8320A. doi : 10.1073 /pnas.1600405113 . PMC 4961121. PMID  27357660. 
  11. ^ ab Anacker, Brian L.; Whittall, Justen B.; Goldberg, Emma E.; Harrison, Susan P. (2011). «Истоки и последствия эндемизма серпентинов во флоре Калифорнии». Evolution . 65 (2): 365–76. doi : 10.1111/j.1558-5646.2010.01114.x . PMID  20812977. S2CID  22429441.
  12. ^ Институт перспективных исследований НАТО по фиторемедиации почв, загрязненных металлами, Морель, Ж.-Л., Эчеваррия, Г. и Гончарова, Н. (2006). Фиторемедиация почв, загрязненных металлами. Серия научных трудов НАТО, т. 68. Дордрехт: Springer.
  13. ^ Андерсон, Роджер К. и др., Растительные сообщества саванн, пустошей и скальных обнажений Северной Америки, гл. 19, Cambridge University Press, 1999, ISBN 0-521-57322-X 
  14. ^ ab «Оценка серпентайновых пустошей Ноттингем-Парка», UMCES-AL, получено 10 мая 2009 г.
  15. ^ Миранда, М.; Бенедито, Дж. Л.; Бланко-Пенедо, И.; Лопес-Ламас, К.; Мерино, А.; Лопес-Алонсо, М. (2009). «Накопление металлов у крупного рогатого скота, выращиваемого в районах с серпентиновой почвой: взаимосвязь между концентрациями металлов в почве, кормах и тканях животных». Журнал микроэлементов в медицине и биологии . 23 (3): 231–8. doi :10.1016/j.jtemb.2009.03.004. PMID  19486833.
  16. ^ "Maryland Department of Natural Resources - Maryland Park Service". Архивировано из оригинала 2012-11-08 . Получено 2012-11-07 .[ необходима полная цитата ]
  17. ^ "Rock Springs Nature Preserve", веб-сайт Lancaster County Conservancy, получено 10 мая 2009 г. Архивировано 22 февраля 2009 г. на Wayback Machine
  18. ^ «Места, которые мы защищаем: Серпентайн Барренс на границе штата, Пенсильвания», получено 20 июля 2020 г.
  19. ^ USFS (nd). «Восстановление Buck Creek Serpentine Barrens, Tusquitee Ranger District, Nantahala National Forest». www.fs.fed.us . Лесная служба США , USDA . Архивировано из оригинала 4 сентября 2021 г. . Получено 4 сентября 2021 г. .