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] Мелкие почвы и редкая растительность приводят к повышению температуры почвы [2] и засухе. [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] Вместе эти факторы создают серьезные экологические проблемы для растений, живущих в змеевидных почвах.
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]
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 Соединенных Штатов. [5] Однако в Калифорнии находится большая часть змеевидных почв континента.
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 это видно у Streptanthus Howellii ) и иногда плотоядную природу, как это наблюдается 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] В Калифорнии для змеевидных почв типичны такие кустарники, как дуб кожаный ( Quercus durata ) и мансанита прибрежная белолистная ( Arctostaphylos viscida ssp. pulchella ). [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 поглощения корнями, разделение 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 обладает 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 серпентину, 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 является важным фактором, влияющим на 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 популяции уязвимыми к изменяющимся условиям окружающей среды. Кроме того, существует высокий поток генов в незмеевидных сообществах, что может вызвать генотипическое загрязнение , гибридизацию и нежизнеспособное потомство. [4]
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 — это уникальный экорегион , обнаруженный в некоторых частях Соединенных Штатов на небольших, но широко распространенных участках Аппалачей и прибрежных хребтов Калифорнии , Орегона и Вашингтона. [13] Богатые видами архипелаги сообществ составляют 1,5% территории штата. [ уточнить ] 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.
Природная зона «Солдатский восторг» 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 Охрана природы работала с местным сообществом над защитой и сохранением нескольких участков в Змеиных пустошах государственной линии, которые являются домом для этой хрупкой среды 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]