Анатомические и морфологические особенности ассимиляционного аппарата и проводящих корней древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях
Автор: Егорова Н.Н., Кулагин А.А.
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Общие проблемы экологии
Статья в выпуске: 2 т.10, 2008 года.
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
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.