Анатомические и морфологические особенности ассимиляционного аппарата и проводящих корней древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях

Бесплатный доступ

Исследованы особенности развития тканей ассимиляционного аппарата и проводящих корней сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.), березы повислой (Betula pendula Roth.), тополя бальзамического (Populus balsamifera L.), произрастающих в экстре- мальных лесорастительных условиях. Выявлены адаптивные видоспецифические изменения анатоми- ческой и морфологической организации древесных растений.

Короткий адрес: https://sciup.org/148198094

IDR: 148198094

Текст научной статьи Анатомические и морфологические особенности ассимиляционного аппарата и проводящих корней древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях

Лесная растительность и лесообразующие виды древесных растений произрастают в условиях относительно стабильных, но не редко оказываются и в критических экологических ситуациях. В последнее столетие антропогенные изменения в окружающей природной среде определяются как новые и значимые факторы в эколого-эволюционном отношении (Вернадский, 1926; Ферсман, 1958).

Цель данной работы - охарактеризовать состояние насаждений и изучить сезонные изменения анатомо-морфологических признаков ассимиляционных органов и проводящих корней сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.) и лиственницы Сукачева ( Larix sukaczewii Dyl.), березы повислой ( Betula pendula Roth), тополя бальзамического ( Populus balsamifera L.), произрастающих в экстремальных лесорастительных условиях.

В задачи исследований входило: оценить относительное жизненное состояние (ОЖС) насаждений древесных растений, произрастающих в экстремальных лесорастительных условиях; охарактеризовать анатомо-морфологические изменения ассимиляционного аппарата и проводящих корней древесных растений; - выявить общие и видоспецифические адаптивные реакции изучаемых древесных растений при действии комплекса природных и техногенных факторов.

Было заложено по пять пробных площа- дей в насаждениях сосны, березы, тополя и три пробных площади в насаждениях лиственницы. Пробные площади располагаются близ города Сибай (на отвалах Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината), близ города Учалы (на отвалах Учалинского горно-обогатительного комбината), близ города Кумертау (на отвалах Кумертауского буроугольного разреза), в городе Стерлитамаке (промышленная зона) и на Уфимском плато (многолетняя почвенная мерзлота). Возраст насаждений составлял 4050 лет на отвалах УГОК, СФ УГОК, КБР и в СПЦ и 80-120 лет на УП. Исследования проводились в период с 1996 по 2006 гг. Объекты исследований: сосна обыкновенная, лиственница Сукачева, береза повислая и тополь бальзамический. На каждой пробной площади отбор образцов производился по схеме: ассимиляционный аппарат 100 шт. из средней части кроны, корневая проводящая система по 50 шт. на глубине 10-30 см.

Приготовление временных и постоянных препаратов проводили по общепринятым методикам (Барыкина и др., 1963, 2004; Пау-шева, 1974; Туркевич, 1967). Препараты изучали при помощи светового микроскопа Amplival (Carl Zeiss Jena, Germany) при различном увеличении объектива. Срезы фотографировали цифровым фотоаппаратом Olympus Camedia C 4000 (Olympus LTD, Japan) при 192х кратном увеличении.

Статистическая обработка фактического материала проводилась общепринятыми методами (Зайцев, 1990) с использованием пакета программ MS Excel 2000.

Краткая характеристика местообитаний

Возникшее около 250 млн. лет назад Уфимское плато (УП) сложено сакмаро-артински-ми известняками и отчасти известкововидными доломитами (Кадильникова, 1967; Ишмурзина, Смирнова, Абзалов, 1977). Эти породы часто кремнистые (Абдрахманов, 1993), а на отдельных участках сильно фос-форитизированы, вплоть до пластовых фосфоритов (Вахрушев, 1960). Поверх этих пород в большинстве случаев развит маломощ- ный элювио-делювий из хрящеватых глин и тяжелых суглинков, чаще всего сильно карбонатных, но в центральной части плато по правобережью р. Юрюзань во многих местах коренные породы перекрыты третичными (пермскими) бескарбонатными глинами, которые встречаются изредка и в других частях плато (Вахрушев, 1960). ГТК изменяется в пределах 1,2 - 1,4 (Агроклиматические ресурсы ..., 1976).

Многолетняя почвенная мерзлота открыты гидрологом А.Г. Лыкошином в начале 50х годов ХХ-го столетия при изыскательных работах на Павловском створе (Лыкошин, 1952). В 1971 г. мерзлотность грунтов была обнаружена на глубине 1-1,5 м при изучении зеленомошных ельников и сосняков. Многолетнее промерзание элювиально-делювиальной тощи известняка, нижних почвенных и подпочвенных слоев прослежено и ниже по течению от плотины Павловской ГЭС. Явление почвенной мерзлоты достаточно подробно охарактеризовано в фитоценотичес-ком, почвенном, эколого-лесоведственном отношениях (Кулагин Ю.З., 1976; Кулагин Ю.З., 1978).

Промышленная зона г. Стерлитамака (СПЦ), рельеф характеризуется обширными низменными террасовыми полого-увалистыми равнинами. Большая часть территории района занята обширными степными пространствами, ныне распаханными, и лишь небольшие участки принадлежат широколиственным лесам. К поймам рек приурочены осокоревые и ольховые леса с примесью дуба, липы и вяза. Почвенный покров представлен типичными и выщелочными черноземами, местами темно-серыми и серыми лесными почвами. ГТК составляет от 0,8 до 1,0 (Агроклиматические ресурсы ..., 1976; Экономическая энциклопедия…, 2004; Физико-географическое районирование ..., 2005). Экологическая ситуация в данном районе обостряется загрязнением атмосферы, почвы и водных объектов нефтехимическими и химическими предприятиями, а также ТЭЦ и автотранспорта. Основная масса промышленных объектов сосредоточена в северной части города, где хронический аэротехногенный полиметаллический тип загрязнения является преобладающим.

Отвалы Кумертауского буроугольного разреза (КБР) (г. Кумертау) характеризуются большой неоднородностью состава отсыпных пород. Коренные породы представлены пермскими и третичными глинами, конгломератами, песчаниками, известняками, древнеаллювиальными песками и галечником. В связи с многообразием состава коренные породы различны и по реакции среды: кислые, слабокислые, щелочные (карбонатные). Техногенные почвогрунты и молодые почвы Кумертауских отвалов бедны азотом, подвижным фосфором и характеризуются сравнительно высоким количеством поглощенных оснований. Необходимо отметить, что отсыпка отвалов завершена более 30 лет назад и в настоящее время происходит процесс зарастания техногенно трансформированного ландшафта. Рельеф равнинный полого возвышенно - холмистый на юге и востоке. ГТК около 1,0 (Агроклиматические ресурсы ..., 1976; Баталов и др., 1989; Экономическая энциклопедия …, 2004).

Отвалы Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината (СФ

УГОК) г. Сибай расположены в подзоне южной лесостепи Зауралья. Леса представлены березовыми колками по понижениям рельефа и на теневых склонах возвышенностей. Широколиственные породы отсутствуют. Рельеф равнино-увалистый. Отвалы СФ УГОК находятся в районе Башкирского горнорудного промышленного узла. Гидротермический коэффициент (ГТК по Селянинову) 0,8 – 1,0 (Агроклиматические ресурсы ..., 1976; Экономическая энциклопедия …, 2004; Физико-географическое районирование ..., 2005).

Отвалы Учалинского горно-обогатительного комбината (УГОК), расположены на юго-восточной границе подзоны предлесос-тепных сосново-березовых лесов. Преобладают сосновые и сосново-березовые леса, реже встречаются осиники, в заболоченных местах - березняки из березы пушистой ( Betula pubescens Ehrh. ). Рельеф низкогорный. Отвалы УГОК находятся на территории Белорецкого промышленного узла. ГТК 1,2 - 1,8 (Агроклиматические ресурсы ..., 1976; Экономическая энциклопедия …, 2004; Физико-географическое районирование ..., 2005).

Отвалы медноколчаданных месторождений УГОК и СФ УГОК сложены крупнога-

Таблица 1. Сезонная динамика изменений размеров тканей ассимиляционного аппарата березы повислой ( Betula pendula Roth), развивающейся в экстремальных лесорастительных условиях

Пробная площадь

Сроки отбора образцов

Толщина тканей листовой пластинки, мкм

Верхняя кутикула

Верхний эпидермис

Столбчатая паренхима

Губчатая паренхима

Нижний эпидермис

Нижняя кутикула

СФ

УГОК

июнь

0,92±0,04

1,39±0,08

6,00±1,65

7,11±0,20

0,89±0,57

0,71±0,06

июль

1,01±0,07

2,08±0,27

5,04±0,37

9,81±1,23

0,96±0,10

0,73±0,07

август

1,19±0,07

1,44±0,14

4,79±0,14

9,36±0,53

0,84±0,03

0,74±0,03

УГОК

июнь

0,74±0,06

0,89±0,11

5,86±0,38

6,80±0,45

0,73±0,03

0,60±0,06

июль

0,95±0,02

1,58±0,05

4,05±0,20

6,64±0,44

0,76±0,03

0,63±0,02

август

0,87±0,03

0,81±0,06

6,08±0,08

16,55±0,56

0,99±0,06

0,66±0,56

КБР

июнь

0,86±0,04

1,40±0,11

5,90±0,42

5,83±0,53

0,81±0,05

0,59±0,02

июль

0,82±0,06

1,53±0,12

4,47±0,22

6,99±0,38

0,79±0,07

0,59±0,08

август

0,92±0,04

1,92±0,04

4,62±0,16

7,90±0,54

0,99±0,05

0,71±0,04

СПЦ

июнь

0,86±0,06

1,43±0,06

5,27±0,55

8,06±0,26

0,74±0,05

0,63±0,02

июль

0,84±0,04

1,23±0,06

4,32±0,36

6,42±0,70

0,81±0,08

0,52±0,03

август

0,77±0,03

1,19±0,09

4,08±0,24

6,22±0,50

0,71±0,07

0,52±0,03

УП

июнь

0,79±0,02

1,58±0,05

5,02±0,16

6,67±0,18

0,69±0,02

0,5±0,04

июль

0,87±0,10

1,60±0,08

4,42±1,56

9,16±0,29

0,76±0,01

0,8±0,05

август

0,78±0,08

2,10±0,10

4,59±0,23

8,69±0,63

0,96±0,05

0,74±0,09

Примечание: здесь и далее в таблицах: ± показывает стандартную ошибку при проведении описательной статистики. Жирным шрифтом выделены максимальные и минимальные значения толщины ткани.

баритными обломочными скальными плохо выветривающимися кварцитами, порфиритами, пиритами и глинами. Почвогрунты на этих отвалах характеризуются малым содержанием гумуса, слабощелочной реакцией среды и высоким содержанием (особенно почвогрунты СФ УГОК) поглощенных оснований. Почвогрунты бедны азотом и в большинстве случаев - фосфором (Баталов и др., 1989; Агроклиматические ресурсы ..., 1976; Физико-географическое районирование ..., 2005).

Результаты исследований

Береза повислая ( Betula pendula Roth)

Определено, что в экстремальных ЛРУ в течение вегетационного периода толщина отдельных тканей ассимиляционного аппарата увеличивается и наблюдается утолщение листовой пластинки на отвалах: СФ УГОК, УГОК, КБР и на МПМ (УП) (табл. 1).

Установлено, что в экстремальных условиях наблюдается увеличение толщины листовой пластинки березы, произрастающих на отвалах СФ УГОК, и КБР, на склонах северной экспозиции с МПМ, что свидетельствует о неспецифической реакции ассимиляционного аппарата березы на действие различных техногенных и природных экстремальных факторов внешней среды (рис. 1).

а

Рис. 1. Поперечные срезы ассимиляционного аппарата березы бородавчатой ( Betula pendula Roth): а - произрастающей на отвалах Сибайского филиала Учалинского горно-обоготительного комбината; б - произрастающей на отвалах Кумертауского буроугольного разреза

Изменение мощности развития различных тканей листьев у растений, произрастающих в экстремальных условиях, связано с нарушением процессов роста и развития листьев. В целом это выступает как проявление адаптивной реакции ассимиляционного структурнофункционального комплекса, обеспечиваю- щего успешное произрастание березы в экстремальных ЛРУ.

При характеристике строения проводящей корневой системы установлено, что в экстремальных условиях произрастания в течение вегетационного периода происходит постепенное утолщение древесины в условиях

Рис. 2. Поперечные срезы проводящих корней березы бородавчатой ( Betula pendula Roth.): а - произрастающей на отвалах Кумертауского буроугольного разреза;

б - произрастающей на многолетней почвенной мерзлоте Уфимского плато

СПЦ, а уменьшение - на отвалах УГОК (табл.

У березы толщина тканей корней увеличивается в г. Кумертау и на УП. Уменьшение покровных тканей в проводящей системе корней происходит в СПЦ, а увеличение - на отвалах УГОК (рис. 2).

Таблица 2. Сезонная динамика изменений размеров тканей проводящих корней березы повислой ( Betula pendula Roth), развивающихся в экстремальных лесорастительных условиях

Пробная площадь

Сроки отбора образцов

Толщина тканей проводящих корней, (%)

перидерма

флоэма

камбий

Вторичная древесина

первичная древесина

СФ

УГОК

июнь

12,00±2,08

10,34±0,67

1,33±0,33

71,33±3,18

5,00±0,58

июль

23,01±1,53

14,33±0,33

1,33±0,33

44,33±2,19

17,00±2,08

август

9,33±0,67

13,00±2,31

2,00±0,58

60,67±3,18

15,00±1,53

УГОК

июнь

17,33±0,67

11,67±0,88

1,00±0,01

55,67±2,03

14,33±1,20

июль

20,50±0,50

8,50±0,50

1,00±0,01

58,50±1,50

11,50±1,50

август

25,00±1,00

9,50±1,50

1,50±0,50

53,00±0,01

11,00±1,00

КБР

июнь

16,00±4,00

10,00±4,00

2,50±1,50

61,00±13,00

10,50±3,50

июль

18,33±2,85

10,00±0,58

2,67±0,67

49,67±7,06

19,33±6,17

август

17,33±3,76

10,00±1,00

1,00±0,01

59,00±6,66

12,67±2,03

СПЦ

июнь

18,00±1,08

10,00±0,01

1,00±0,01

63,00±6,33

8,00±1,15

июль

16,00±0,58

11,33±1,45

2,33±0,88

53,67±6,01

16,67±3,28

август

16,50±2,50

10,00±0,01

1,50±0,50

60,00±8,00

12,00±5,00

УП

июнь

37,00±5,00

23,50±0,5

2,00±0,01

24,00±4,00

13,50±1,50

июль

15,33±0,33

8,00±1,15

3,00±1,00

60,00±3,46

13,67±2,67

август

19,67±2,03

8,33±1,45

3,33±0,33

57,33±4,84

13,32±0,03

Тополь бальзамический ( Populus balsamifera L.)

Тополь не произрастает на УП при этом у растений этого вида наблюдается утолщение листовой пластинки на отвалах (СФ УГОК, УГОК, КБР) и в условиях СПЦ (табл. 3).

Установлено, что у тополя, произрастаю- щего в разных природных и техногенных экстремальных ЛРУ адаптивные реакции ассимиляционного аппарата к условиям внешней среды проявляются сходным образом.

Результаты исследований свидетельствуют об изменениях значений толщины отдельных анатомических структур проводящих кор-

Таблица 3. Сезонная динамика изменений размеров тканей ассимиляционного аппарата тополя бальзамического ( Populus balsamifera L.) в экстремальных лесорастительных условиях

Пробная площадь Сроки отбора образцов Толщина тканей листовой пластинки, мкм Верхняя кутикула Верхний эпидермис Столбчатая паренхима Губчатая паренхима Нижний эпидермис Нижняя кутикула СФ УГОК июнь 0,54±0,06 0,86±0,02 6,51±0,47 6,77±0,28 0,66±0,05 0,60±0,04 июль 0,71±0,02 0,72±0,04 6,80±1,23 8,15±0,32 0,84±0,06 0,55±0,03 август 0,71±0,06 0,82±0,05 7,58±0,48 8,95±0,45 0,86±0,03 0,66±0,05 УГОК июнь 0,54±0,06 0,86±0,02 6,51±0,47 6,77±0,28 0,66±0,05 0,60±0,04 июль 0,78±0,06 0,92±0,14 8,59±0,43 8,34±0,98 0,91±0,03 0,62±0,06 август 0,94±0,03 1,48±0,07 5,28±0,36 7,27±0,18 0,92±0,04 0,69±0,04 КБР июнь 0,81±0,02 0,92±0,09 7,71±0,15 9,02±0,46 1,02±0,06 1,53±0,67 июль 0,79±0,02 0,84±0,03 7,26±0,30 8,54±0,36 1,01±0,04 0,72±0,02 август 0,71±0,04 0,97±0,08 7,91±0,26 10,20±0,16 0,99±0,05 0,72±0,03 СПЦ июнь 0,54±0,08 0,72±0,14 5,11±0,50 6,09±0,97 0,82±0,08 0,63±0,02 июль 0,67±0,08 0,83±0,04 7,11±0,57 8,84±0,50 0,95±0,06 0,59±0,06 август 0,67±0,01 1,13±0,46 4,28±0,17 7,18±0,04 1,01±0,08 0,42±0,01 ней тополя бальзамического (табл. 4). Установлена четкая закономерность, проявляющаяся в постепенном увеличении покровных тканей на отвалах СФ УГОК, и соответственно уменьшение объема древесины в течение вегетационного периода.

Таблица 4. Сезонная динамика изменений размеров тканей проводящих корней тополя бальзамического ( Populus balsamifera L.), развивающихся в экстремальных лесорастительных условиях

Пробная площадь

Сроки отбора образцов

Толщина тканей проводящих корней, (%)

перидерма

флоэма

камбий

вторичная древесина

первичная древесина

СФ УГОК

июнь

26,33±4,26

13,67±3,53

1,67±0,67

47,33±9,77

12,67±1,53

июль

29,00±1,73

13,33±1,20

1,00±0,01

43,00±1,15

13,67±0,88

август

33,00±4,16

13,67±0,88

3,67±1,45

37,00±5,57

12,68±0,33

УГОК

июнь

25,67±0,67

9,67±0,33

1,00±0,01

52,67±3,18

11,01±2,31

июль

30,33±0,33

11,67±0,33

3,00±0,01

37,00±1,73

18,00±1,73

август

25,33±1,86

17,67±1,86

1,00±0,01

45,00±1,00

11,00±1,01

КБР

июнь

30,00±1,00

17,50±4,50

1,50±0,50

33,00±4,00

18,00±0,01

июль

29,50±1,50

15,00±0,01

3,00±0,01

29,00±1,00

23,50±2,50

август

41,00±11,00

10,50±1,50

1,50±0,50

32,50±3,50

14,50±5,50

СПЦ

июнь

34,00±2,00

14,00±1,00

1,50±0,50

42,50±0,10

8,00±1,00

июль

26,33±2,40

11,00±2,52

2,00±0,58

48,67±1,33

12,00±1,15

август

33,00±1,00

12,67±1,45

2,33±0,33

37,67±3,18

14,33±2,33

Сосна обыкновенная ( Pinus sylvestris L.)

Установлены значительные различия в строении ассимиляционного аппарата сосны. Показано (рис. 3), что характерной особенностью в анатомической организации хвои сосны является утолщение слоевхвои первого, второго и третьего года за весь период вегетации на всех пробных площадях - на отвалах СФ УГОК, УГОК, КБР, в СПЦ и на

УП (МПМ).

Следует отметить, что у сосны толщина отдельных тканей хвоинок увеличивается в г. Кумертау, г. Стерлитамаке, г. Учалы и на УП в течение вегетационного периода. Каждый месяц вегетационного периода отличается друг от друга значительным увеличением внешних слоев, что проявляется в г. Стерлитамаке и Учалы, на УП.

Рис. 3 Поперечные срезы ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.): а - произрастающей на отвалах Сибайского филиала Учалинского горно-обоготительного комбината; б - произрастающей на многолетней почвенной мерзлоте Уфимского плато

Определено, что в экстремальных ЛРУ в течение вегетационного периода у сосны за- щитные слои проводящих корней в наибольшей степени развиты на отвалах СФ УГОК, в наименьшей - на УП. Флоэма проводящих корней интенсивно развивается у растений в условиях Стерлитамакского промышленного центра и многолетней почвенной мерзлоты. Проводящая система хорошо развита у растений произрастающих на отвалах СФ УГОК, УГОК и КБР.(табл. 5).

При характеристике корневых систем показано, что в экстремальных условиях про- израстания в течение вегетационного периода соотношение площади смоляных ходов к площади поперечного среза корня увеличивается на отвалах: УГОК, КБР, в СПЦ и на МПМ (УП). На отвалах СФ УГОК процентное соотношение площади поперечного сечения корня к площади поперечного среза смоляных ходов не изменяется (рис. 4).

Рис. 4. Поперечные срезы проводящих корней сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.): а - произрастающей на отвалах Сибайского филиала Учалинского горно-обоготительного комбината; б - произрастающей на отвалах Учалинского горно-обоготительного комбината

Таблица 5. Сезонная динамика изменений размеров тканей проводящих корней сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.), развивающихся в экстремальных лесорастительных условиях

Пробная площадь

Сроки отбора образцов

Толщина тканей проводящих корней,(%)

перидерма

флоэма

камбий

вторичная древесина

первичная древесина

СФ

УГОК

июнь

34,33±4,18

12,00±2,08

2,33±0,33

37,33±4,37

14,00±1,53

июль

34,67±10,84

15,00±3,79

2,67±0,88

38,67±18,17

9,00±3,05

август

22,50±4,50

7,50±0,50

2,50±0,50

59,50±7,50

8,00±3,00

УГОК

июнь

16,87±2,02

5,84±0,88

1,43±0,50

64,33±0,76

11,33±1,28

июль

18,00±4,04

7,33±1,76

1,33±0,30

63,00±4,36

10,33±1,86

август

21,00±2,00

8,67±0,88

2,33±0,33

63,00±3,60

5,00±0,58

КБР

июнь

22,00±1,00

8,67±0,33

2,00±0,01

51,67±3,76

15,67±2,73

июль

24,00±2,30

8,3±0,67

2,00±0,01

54,00±3,51

11,67±1,20

август

18,50±2,50

8,50±0,50

1,50±0,50

61,00±7,00

10,50±3,50

СПЦ

июнь

21,00±3,64

17,70±4,04

2,33±0,33

31,50±1,20

27,50±2,05

июль

29,50±1,50

16,50±1,45

2,00±0,01

30,50±10,50

21,50±3,50

август

34,50±17,50

11,00±0,01

2,50±0,50

40,50±19,50

11,50±1,50

УП

июнь

18,33±4,91

7,00±2,00

1,33±0,33

66,00±6,80

8,67±4,26

июль

13,00±1,15

4,67±0,33

1,66±0,33

73,67±1,76

7,00±1,53

август

26,00±3,00

8,00±1,00

15,00±0,50

56,00±1,00

8,50±2,50

Лиственница Сукачева ( Larix sukaczewii Dyl.)

Необходимо отметить, что на отвалах Башкирского Зауралья (СФ УГОК и УГОК) дан- ный вид не произрастает.

Анализируя результаты исследований, следует отметить, что у лиственницы толщина отдельных тканей хвои увеличивается на от- валах КБР и в СПЦ в течение всего вегетационного периода (табл. 6). Закономерностей в изменениях анатомического строения хвои у лиственницы в экстремальных лесорастительных условиях не наблюдается. Следует отметить, что в хвое лиственницы имеется только два смоляных хода. Поэтому про- центное соотношение площади смоляных ходов к площади поперечного среза хвои незначительное. Это можно объяснить тем, что смоляные ходы не успевают развиваться в течение вегетационного периода, а также следствием влияния комплекса экстремальных экологических факторов.

Таблица 6. Сезонная динамика изменений размеров тканей ассимиляционного аппарата лиственницы Сукачева ( Larix sukaczewii Dyl.), развивающихся в экстремальных лесорастительных условиях

Экотопы

Название ткани

отвалы Кумерстауского буроугольного разреза

Стерлитамакский промышленный центр

Уфимское плато

июнь

июль

август

июнь

июль

август

июнь

июль

август

Верхняя эпидермис

1,05±0,21

1,1±0,16

0,84±0,01

0,84±0,01

0,95±0,11

1,26±0,01

0,84±0,01

0,84±0,01

0,84±0,01

Верхняя гиподерма

0,95±0,11

0,84±0,01

0,84±0,01

1,05±0,21

0,89±0,05

1,05±0,21

0,84±0,01

0,84±0,01

0,84±0,01

Верхняя столбчатая паренхима

6,83±0,95

5,67±0,21

6,41±1,37

3,89±0,11

4,95±0,30

5,46±0,42

4,31±0,11

3,47±0,74

2,73±0,63

Верхняя эндодерма

1,41±0,15

1,68±0,01

1,58±0,11

1,26±0,01

1,26±0,01

1,89±0,21

0,95±0,11

1,26±0,01

1,58±0,11

Верхняя трансфузион ная паренхима

1,58±0,11

1,26±0,42

1,68±0,42

2,1±0,84

1,05±0,01

2,52±0,42

1,79±0,11

1,58±0,32

1,58±0,53

Склеренхим а.

0,84±0,01

0,63±0,01

0,84±0,01

0,63±0,21

0,74±0,11

0,84±0,01

0,95±0,11

0,84±0,01

0,53±0,11

Нижняя трансфузион ная паренхима

1,68±0,13

1,05±0,01

2,31±0,21

1,47±0,21

1,16±0,32

1,26±0,01

1,26±0,01

1,68±0,01

1,05±0,21

Ксилема

2,25±0,27

1,47±0,01

1,89±0,21

2,1±0,01

1,79±0,11

2,1±0,01

2,1±0,01

1,68±0,01

1,79±0,11

Флоэма

2,31±0,34

1,47±0,01

1,89±0,21

2,1±0,01

1,79±0,11

1,89±0,21

2,1±0,01

1,68±0,01

1,79±0,11

Нижняя эндодерма

1,53±0,15

1,47±0,01

1,79±0,11

1,58±0,11

1,1±0,05

1,47±0,21

1,26±0,21

1,26±0,01

1,68±0,01

Нижняя столбчатая паренхима

4,89±0,15

5,88±0,01

4,62±1,26

5,67±1,05

4,73±0,53

6,93±1,05

5,04±0,84

2,73±0,21

3,68±0,11

Нижняя гиподерма

0,84±0,01

1,16±0,11

0,84±0,01

0,84±0,01

0,95±0,11

0,84±0,01

0,74±0,11

1,05±0,21

0,84±0,01

Нижний эпидермис

1,03±0,11

1,26±0,01

0,84±0,01

0,84±0,01

0,95±0,11

1,26±0,01

0,84±0,01

1,05±0,21

0,84±0,01

Результаты настоящих исследований показывают изменения значений толщины отдельных слоев проводящих корней лиственницы Сукачева (табл. 7). Установлено, что в экстремальных условиях произрастания в течение вегетационного периода происходит постепенное уменьшение доли древесины в проводящих корнях растений, произрастающих на территории СПЦ и отвалов КБР. При этом происходит увеличение размеров покровных тканей проводящих корней.

Процентное соотношение площади смоляных ходов к площади поперечного среза хвои изменяется в пределах от 0,6 до 1,6%. На от- валах КБР к концу вегетации уменьшается на увеличивается до 0,5%; на УП за период ве-0,2%; в условиях СПЦ за период вегетации гетации увеличивается на 0,2%.

Таблица 7. Сезонная динамика изменений размеров тканей проводящих корней лиственницы Сукачева ( Larix sukaczewii Dyl), развивающихся в экстремальных лесорастительных условиях

Экотопы

Название ткани

отвалы Кумерстауского буроугольного разреза

Стерлитамакский промышленный центр

Уфимское плато

июнь

июль

август

июнь

июль

август

июнь

июль

август

перидерма

21,00±5,00

26,00±4,00

30,33±2,33

23,00±5,00

24,00±0,01

47,00±4,00

25,67±1,45

31,67±2,90

22,00±2,00

флоэма

10,50±1,50

10,50±1,50

11,33±1,45

8,54±0,06

8,50±0,50

12,50±2,50

8,67±0,67

13,67±2,03

11,00±1,36

камбий

2,00±0,01

3,50±0,50

2,33±0,33

2,50±0,50

2,50±0,50

2,00±0,01

1,67±0,33

2,67±0,33

2,00±0,01

вторичная древесина

52,50±6,50

40,5±7,50

44,33±2,84

49,00±1,16

49,00±1,00

33,00±7,00

54,33±0,33

35,67±3,92

53,00±3,01

первичная древесина

14,00±1,00

19,50±1,50

11,67±0,33

16,96±1,03

16,00±1,00

5,50±0,50

9,67±1,76

16,33±1,45

12,00±0,33

Обсуждение результатов исследований

Оценка относительного жизненного состояния древостоев

Общее состояние березовых насаждений исследованных экотопов по сравнению с другими исследуемыми древесными породами характеризуется как наилучшее. Насаждения на УП отнесены к категории “здоровые” (ОЖС составляет 96,7%). Остальные березняки характеризуются как “ослабленные”. ОЖС составляет 66,8% (СПЦ), 69,8% (отвалы СФ УГОК), 73,1% (отвалы УГОК) и 75,7% (отвалы КБР). Наименьший уровень плодоношения зафиксирован в березняках, произрастающих на УП и отвалах КБР – 1-2 балла, наибольший – на отвалах УГОК и СФ УГОК – 3-4 балла, промежуточное положение занимают насаждения в СПЦ – плодоношение 2-3 балла. Процесс естественного возобновления успешно протекает на отвалах УГОК, где количество “мелкого” и “крупного” подроста составляет соответственно 3400 и 600 шт./га. Значительно меньше подроста обнаруживается на отвалах СФ УГОК и КБР, а также на УП – 210/150, 20/0 и 100/75 шт./га соответственно. В культурах березы, произрастающих в условиях СПЦ, подрост не обнаружен вследствие разрастания травянистой растительности.

ОЖС насаждений тополя в СПЦ составляет 75%. Насаждение отнесено к категории

“ослабленных”. Естественного возобновления под пологом этих насаждений нет из-за формирования травяного покрова и слабого плодоношения (0-1 балл). Плодоношение тополей, произрастающих на отвалах КБР, СФ УГОК и УГОК не отмечается. Вместе с тем, отмечается зарастание отвалов СФ УГОК и УГОК за счет растений-обсеменителей с прилегающих территорий – до 280 шт./га (мелкого и крупного подроста) и 30 шт./га (все относятся к категории мелкого), соответственно.

Характеризуя ОЖС сосняков на УП (78,6%), а также на отвалах КБР (67,2%), СФ УГОК (66,4%) и УГОК (77,8%), можно сделать заключение, что все они относятся к категории “ослабленных”, при этом сосновые насаждения в СПЦ отнесены к категории “сильно ослабленных” - их ОЖС составляет 47,6%. Наибольшее плодоношение отмечено в сосняках на отвалах УГОК – 3-4 (единично 5) баллов, что является основой успешного семенного возобновления-зарастания отвалов – 17500 мелкого и 5200 шт./га крупного подроста. На УП отмечается плодоношение на уровне 2-3 баллов и около 2000 растений мелкого и 650 шт./га крупного подроста. На отвалах КБР слабому уровню плодоношения (2 балла) соответствует незначительное количество мелкого и крупного подроста – 200 и 100 шт./га. Несмотря на плодоношение деревьев на уровне 1-2 баллов, подроста в куль- турах сосны в СПЦ не обнаружено, что может быть связано с формированием мощного травяного покрова. На отвалах СФ УГОК лишь единичные деревья сосны плодоносят (0-1 балл) и количество подроста на отвалах незначительно – 20 шт./га мелкого и 15 шт./га крупного подроста.

ОЖС насаждений лиственницы снижается в ряду биотопов УП (около 100% “здоровое”) > СПЦ (74% “ослабленное”) > отвалы КБР (55% “сильно ослабленное”). Плодоношение лиственничников представляет следующий ряд: УП = отвалы КБР (3-4 балла) > СПЦ (2-3 балла). Естественного возобновления лиственницы не отмечается в СПЦ и на УП, но на отвалах КБР имеются единичные растения, отнесенные к категории “крупного подроста”. Ослабление состояния древостоев обусловлено совокупным действием природных и техногенных факторов, причем роль последних в представленном ряду постоянно увеличивается.

Сравнительная характеристика строения ассимиляционных органов древесных растений, произрастающих в экстремальных ЛРУ

Следует отметить, что характерной особенностью анатомической организации листьев является их высокая изменчивость в зависимости от освещения, водообеспеченно-сти и температурных режимов, а также интенсивностью поступления техногенных окружающую среду (Гамалей, 2004).

Установлено, что у березы в экстремальных условиях произрастания в течение вегетационного периода толщина отдельных слоев увеличивается. Утолщение листовой пластинки наблюдается на отвалах: СФ УГОК, УГОК, КБР и на УП (МПМ). У тополя наблюдается утолщение листовой пластинки на отвалах: СФ УГОК, УГОК, КБР и в СПЦ (рис. 5).

Выявлены значительные отличия в строении ассимиляционного аппарата сосны. Показано, что характерной особенностью в анатомической организации хвои сосны является закономерность утолщения слоев хвои первого, второго и третьего года за весь период вегетации на всех пробных площадях -на отвалах СФ УГОК, УГОК и КБР, в СПЦ и на УП. Увеличение толщины отдельных слоев хвои происходит при действии на растения экстремальных экологических факторов, таких, как многолетняя почвенная мерзлота, избыточное содержание солей в растительном субстрате и хроническое аэротехноген-ное полиметаллическое загрязнение окружающей среды. Следует отметить, что на поверхности эпидермиса хвои в качестве защитного элемента появляется восковой налет, что также рассматривается как адаптивная реакция растений на ухудшение ЛРУ. Формирование хвои с небольшой толщиной слоев и снижение ее биомассы хвои направлено на реализацию адаптации к экстремальным лесорастительным условиям посредством усиления ее ксероморфности.

Показана изменчивость некоторых признаков анатомо-морфологических особенностей в строении ассимиляционного аппарата у лиственницы. Характерно различное анатомическое строение хвои лиственницы, а также свойственно значительное изменение размеров и формы клеток тканей хвои. На всех пробных площадях четкой закономерности в изменениях анатомических особенностей хвои у лиственницы в экстремальных ЛРУ произрастания не обнаружено. Уменьшение толщины слоев хвои лиственницы – общая адаптивная реакция на такие экстремальные факторы: как почвенная мерзлота и техногенное загрязнение, которые непосредственно влияют на формирование и рост хвои (рис. 5).

Сравнительная характеристика строения проводящих корней древесных растений, произрастающих в экстремальных ЛРУ

Показано, что в экстремальных условиях произрастания у березы (рис. 6) покровные ткани максимально развиваются на отвалах СФ УГОК в июне (экстремально высокие температуры и дефицит влаги). Аналогичная картина в начале вегетационного периода на МПМ (УП), где покровные ткани обеспечивают защиту проводящих корней от воздействия низких температур. Проводящая система, осуществляющая транспорт веществ, хорошо развита в корнях березы в СПЦ и на КБР (рис 6).

береза

s

IS я сз Я

я

я

У о к

5 К а о

■ мезофилл □ покровные ткани

тополь

s ч я

5S я сз Я

я

я

У о к я я о я

[■ мезофилл □ покровные ткани

Рис. 5. Соотношение величин покровных тканей и мезофилла (%) ссимиляционного аппарата березы повислой ( Betula pendula Roth), тополя бальзамического ( Populus balsamifera L.), сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.) и лиственницы Сукачева ( Larix sukaczewii Dyl.), произрастающих в экстремальных лесорастительных условиях

У тополя, произрастающего в СПЦ, развиты покровные ткани проводящих корней в СПЦ. Показательно, что в начале вегетационного периода на отвалах КБР толщина фло- эмы в корнях тополя минимальна, а к концу вегетации – достигает максимальных значений. Проводящая система развита в корнях тополя на отвалах УГОК и КБР (рис. 6).

g древесина □ покровные ткани

■ древесина □ покровные ткани

■ древесина □ покровные ткани

Рис. 6. Соотношение величин покровных тканей и древесины (%) проводящих корней березы повислой ( Betula pendula Roth), тополя бальзамического ( Populus balsamifera L.), сосны обыкновенной( Pinus sylvestris L.) и лиственницы Сукачева ( Larix sukaczewii Dyl.), произрастающих в экстремальных лесорастительных условиях

Покровные ткани проводящих корней развиты у растений сосны на отвалах СФ УГОК в начале вегетационного периода - на МПМ (УП) (рис. 6).

У лиственницы формируются мощные покровные ткани в условиях СПЦ, а минимальные - на МПМ. В то же время проводящие ткани лиственницы хорошо развиты в условиях на МПМ и на отвалах КБР (рис. 6).

Заключение

Видоспецифические и общие реакции древесных растений на воздействие экстремальных экологических факторов служат основой устойчивости и определяют адаптивный потенциал лесообразующих видов.

Определение относительного жизненного состояния в сочетании с анатомическими и морфологическими характеристиками растений позволяет установить не только статус древостоев, но также выявить причины и тенденции негативных изменений. Общее состояние березняков в различных условиях произрастания по сравнению с другими насаждениями, характеризуется как наилучшее. Относительное жизненное состояние большинства исследованных древостоев других древесных пород характеризуется как “ослабленное”. При этом в условиях многолетней почвенной мерзлоты (березняки и сосняки – “здоровые”) относительное жизненное состояние насаждений выше, чем у всех пород на техногенных местообитаниях. Плодоношение изменяется в пределах 0-5 баллов и наилучшие показатели характерны для техногенных экотопов (все породы кроме лиственницы). Возобновительный процесс идет “удовлетворительно” только на отвалах Учалинского горно-обогатительного комбината, где отмечено успешное заселение площадей сосной и березой, для всех остальных биотопов и пород возобновление характеризуется как “неудовлетворительное” поскольку количество мелкого подроста не превышает 2000 шт./га.

Сезонные анатомо-морфологические изменения строения ассимиляционных органов и проводящей корневой системы носят адаптивный характер и необходимы для выживания растений в экстремальных лесорастительных условиях. Для ассимиляционных органов березы в экстремальных условиях произрастания в течение вегетационного периода характерно общее увеличение толщины листа, при этом в наибольшей степени увеличение толщины листьев происходит за счет мезофилла. Показано, что в экстремальных лесорастительных условиях покровные ткани проводящих корней в наибольшей степени выражены на отвалах Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината, а в наименьшей – на отвалах Кумертауского буроугольного разреза. Наибольших размеров проводящая ткань достигает к середине вегетации при развитии растений в условиях многолетней почвенной мерзлоты. Отмечается, что проводящая система хорошо развита у корней растений, развивающихся в условиях Стерлитамакского промышленного центра и на отвалах Кумер-тауского буроугольного разреза.

У растений тополя на отвалах Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината, Учалинского горно-обогати-тель-ного комбината, Кумертауского буроугольного разреза и на территории Стерлитамакского промышленного центра наблюдается утолщение листовой пластинки. Это происходит за счет эпидермиса и кутикулы. Для проводящих корней показано, что внешние защитные слои интенсивно формируются у растений, произрастающих в Стерлитамакском промышленном центре, а в наименьшей степени - на отвалах Учалинского горно-обогатительного комбината. К середине вегетации флоэма достигает максимальных размеров и в этот период происходит интенсивное отложение запасных веществ. Проводящая система проводящих корней хорошо развита у тополей, произрастающих на отвалах Учалинского горно-обогатительного комбината и Кумертауского буроугольгного разреза. В условиях Стерлитамакского промышленного центра развитие проводящей системы корней выражено в наименьшей степени.

Показано, что характерной особенностью в анатомической организации сосны является закономерность увеличения объема тканей хвои первого, второго и третьего года в течение всего периода вегетации во всех условиях произрастания. Утолщение хвои обусловлена развитием мезофилла. В экстремальных лесорастительных условиях у сосны защитные слои проводящих корней в наибольшей степени развиты на отвалах Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината, в наименьшей - на Уфимском плато. Флоэма проводящих корней интенсивно развивается у растений в условиях Стерлитамакского промышленного центра и многолетней почвенной мерзлоты. При этом на отвалах Учалинского горно-обогатительного комбината отклонений в развитии проводящей системы корней не отмечается.

Значительных изменений в анатомической организации хвои у лиственницы при произрастании в различных экстремальных лесорастительных условиях не обнаружено. Доля мезофилла в общих размерах хвои колеблется в пределах 80-87% и снижается к концу вегетации у растений техногенных эко-топов. Для проводящей корневой системы установлено, что защитные слои развиты в наибольшей степени, а проводящая система в наименьшей у лиственниц, произрастающих на территории Стерлитамакского промышленного центра, где выражено комплексное загрязнение окружающей среды. Для отвалов Кумертауского буроугольного разреза и на Уфимском плато характерно развитие проводящей системы корней при незначительном развитии защитных слоев.

Видоспецифические реакции, выражающиеся в анатомической организации ассимиляционных органов и проводящих корней, проявляются в следующем: у березы в увеличении толщины мезофилла; у тополя в постепенном увеличении покровных тканей; у сосны - в утолщении тканей хвои первого, вто- рого и третьего года; у лиственницы в увеличении покровных тканей проводящих корней и в постепенном уменьшении доли древесины. При этом в качестве общих закономерностей необходимо отметить наличие дополнительных защитных слоев на поверхности ассимиляционных органов в виде воскового налета и разрыхление мезофилла.

Список литературы Анатомические и морфологические особенности ассимиляционного аппарата и проводящих корней древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях

  • Абдрахманов Р.Ф. Техногенез в подземной гидросфере Предуралья. Уфа: УНЦ РАН, 1993.
  • Алексеев В.А. Некоторые вопросы диагностики и классификации поврежденных загрязнением лесных экосистем//Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, 1990.
  • Агроклиматические ресурсы Башкирской АССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
  • Барыкина Р.П., Кострикова Л.Н., Кочемарова И.П. и др. Практикум по анатомии растений. М.: Росвузиздат, 1963.
  • Барыкина Р.П., Веселова Т.Д., Девятов А.Г. и др. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. М.: Изд-во МГУ, 2004.
  • Баталов А.А., Мартьянов Н.А., Кулагин А.Ю., Горюхин О.Б. Лесовостановление на промышленных отвалах Предуралья и Южного Урала. Уфа: БНЦ УрО РАН, 1989.
  • Вахрушев Г.В. Опыт геохимического районирования почвообразующих пород Западной Башкирии//Материалы по изучению почв Урала и Поволжья/ИБ БФАН СССР. Уфа, 1960.
  • Вернадский В.И. Биосфера, очерки первый и второй. Л.: Научно-техн. изд-во, 1926.
  • Гамалей Ю.В. Транспортная система сосудистых растений. СПБ.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004.
  • Егоров Ю.Е. Механизмы дивергенции. М., 1968.
  • Зайцев Г.Н. Математика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1990.
  • Ишмурзина Л.У., Смирнова Е.С., Абзалов Р.М. Уфимское таёжное и Юрюзано-Айское лесостепное плато//Проблемы природного районирования/БГУ. Уфа, 1977.
  • Кадильникова Е.И. Физико-географическое районирование Башкирской АССР//География Башкирии за 50 лет. Учёные записки БГУ. Вып.XX. Сер. геогр. №2). Уфа, 1967.
  • Кулагин Ю.З. О многолетней почвенной мерзлоте в Башкирском Предуралье//Экология. 1976. № 2.
  • Кулагин Ю.З. Экологические аспекты пород-лесообразователей в районе Уфимского плато//Лесоведение. 1978. № 5.
  • Лыкошин А.Г. Многолетняя мерзлота в долине р. Уфы//Природа. 1952. № 1.
  • Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1974.
  • Сукачев Н.В. Программа и методика биогеоценологических исследований. М.: Наука, 1966.
  • Туркевич Н.Г. Реконструкция микроскопических объектов по гистологическим срезам. М.: Изд-во Медицина. 1967.
  • Ферсман А.Е. Избранные труды. Т. IV. М.: Изд-во АН АССР, 1958.
  • Физико-географическое районирование Башкирской АССР (Репринтное издание). Уфа, 2005.
  • Экономическая энциклопедия регионов России Республики Башкортостан/Гл. ред. Ф.И. Шамхалов. М.: ЗАО Издательство «Экономика», 2004.
Еще
Статья научная