Изучение водного режима и годичного прироста побегов у древесных растений, произрастающих на породном отвале Кедровского угольного разреза

Введение . Интенсивное развитие угольной отрасли в Кузбассе привело к образованию обширных площадей нарушенных земель. Большое значение для оздоровления окружающей среды имеют мероприятия по лесному направлению рекультивации. При проведении биологического этапа рекультивации представляет интерес изучение биологических особенностей развития древесных растений в экстремальных экологических условиях.

Одним из критериев оценки устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды является стабильность показателей водного режима [1–3].

Известно, что в условиях отвалов угольных разрезов отмечается дефицит влаги, что лимитирует процессы роста растений. Недостаток воды в почве и воздухе нарушает водообмен у растений. Снижение оводненности тканей изменяет состояние биоколлоидов клетки, что приводит к повреждению тонкой структуры протопласта, существенным сдвигам в состоянии и деятельности всех ферментных систем и, как следствие, к нарушению обмена веществ растения. Уменьшение содержания воды в растении вызывает резкое падение интенсивности фотосинтеза, интенсивность дыхания возрастает, но нарушается сопряженность окисления и фосфорилирования, в результате чего сильно снижается энергетическая эффективность дыхания [4]. Оводненность листьев у неустойчивых видов в условиях действия техногенных нагрузок снижается [5, 6].

Вода в растительных клетках и тканях находится в двух формах: свободной и связанной. При неблагоприятных условиях внешней среды содержание связанной воды в листьях растений повышается.

Это, с одной стороны, приводит к замедлению роста растений, к снижению интенсивности обменных процессов, с другой – определяет устойчивость растений к неблагоприятным условиям среды [7–11].

Цель исследования : изучение водного режима во взаимосвязи с процессами роста побегов древесных растений, произрастающих в условиях породного отвала угольного разреза «Кедровский».

Объекты и методы исследования . Исследования проведены в вегетационный период 2015 г. на территории отвала «Южный» угольного разреза Кедровский. Возраст отвала – 30 лет, в 2004 г. проведен комплекс работ по его планировке. Контрольный участок расположен на ненарушенных землях в 4 км северо-западного направления от пос. Кедровский. Объектами исследований служили сосна обыкновенная ( Pinus sylvestris L.) и береза повислая ( Betula pendula Roth.). Возраст растений – 10–15 лет.

Выборка растений составляла 5 деревьев на каждой исследуемой площадке. Для оценки содержания общей, свободной и связанной воды хвою (второго года жизни) и листья, без видимых признаков повреждений, собирали с 5 модельных деревьев удовлетворительного жизненного состояния с каждого изучаемого участка и доставляли в лабораторию. Отбор растительных образцов проводили через каждые 10 дней. Содержание разных фракций воды в хвое и листьях определяли методом Окунцова-Маринчик [12].

Годичный прирост боковых побегов в длину измеряли каждые 10 дней с помощью линейки с точностью до 0,1 см по методике И.В. Кармановой [13].

Экспериментальные данные обработаны с помощью компьютерных программ Excelи Statis-tica 6.1.

Результаты исследования и их обсуждение. Обеспеченность растений влагой зависит не только от содержания воды в почве, но и от способности самих растений усваивать ее. Количественное содержание влаги в ассимиляционном аппарате древесных растений, а также изменение этого показателя в течение вегетационного периода и в зависимости от условий произрастания, времени суток и других факторов позволяют объективно оценить состояние водного баланса растения в целом.

Таблица 1

Дата	Температура, ºC	Осадки, мм
5 июня	16,4	0,0
15 июня	19,9	0,0
25 июня	17,3	4,0
5 июля	18,8	6,0
15 июля	22,8	3,0
25 июля	22,7	0,0
4 августа	20,6	5,5
14 августа	14,9	4,0
24 августа	15,2	0,0

Температура воздуха и осадки в исследуемые сроки наблюдений

Результаты по общей оводненности листьев и хвои исследуемых древесных растений показывают, что в течение вегетации этот показатель варьирует. У березы повислой максимальная оводненность листьев как в опыте, так и в контроле отмечается в июне (5–25 июня); у сосны обыкновенной – в конце июля и августа (рис. 1). Сравнительная характеристика показывает, что у исследуемых древесных пород, в большинстве случаев, отмечается тенденция к сни- жению общей воды у растений, произрастающих в условиях отвала, однако у березы повислой эта тенденция менее выражена (изменения в пределах ошибки).

У сосны обыкновенной максимальное снижение общей воды у опытных растений отмечается 5, 15 июня и 14 августа – ниже контрольных значений на 13,6; 9,5 и 12,4 % соответственно (см. рис. 1).

Береза повислая

5 июня 15 июня 25 июня 5 июля 15 июля 25 июля 4 августа 14 августа24 августа

• □    опыт ■ контроль

Сосна обыкновенная

llllllll

5 июня 15 июня 25 июня 5 июля 15 июля 25 июля 4 августа 14

августа августа

• □    опыт ■ контроль

Рис. 1. Содержание общей воды в листьях изучаемых растений

Изучение фракционного состава воды в листьях березы и хвое сосны показало, что максимальное содержание свободной воды как у опытных, так и у контрольных растений отмечалось с июля до середины августа. Это объясняется тем, что июль и август были достаточно влажными.

Сравнительный анализ результатов исследований показывает, что у опытных рас- тений сосны и березы отмечается снижение свободной воды во все сроки наблюдений в сравнении с контролем.

Минимальное содержание свободной воды как у сосны, так и у березы в условиях отвала наблюдалось 5 июня и 24 августа – ниже контроля на 19,2 и 16,5 % у березы и 37,2 и 23,5 % у сосны соответственно (рис. 2).

Береза повислая

5 июня 15 июня 25 июня 5 июля 15 июля 25 июля 4 августа 14 августа 24 августа

□ опыт ■ контроль

Сосна обыкновенная

5 июня 15 июня 25 июня 5 июля 15 июля 25 июля 4 августа 14 августа 24 августа

• □    опыт ■ контроль

Рис. 2. Содержание свободной воды в листьях изучаемых растений

Изменение количества связанной воды как у опытных, так и у контрольных растений имеет сходную тенденцию – максимальное ее количество отмечается 15, 25 июня и 14, 24 августа (рис. 3).

Сравнительный анализ результатов исследований показывает, что у сосны и березы, произрастающих в условиях отвала, отмечается повышение связанной воды во все сроки наблюдений в сравнении с контролем. Максимальные отличия данного показателя от контрольных значений у обоих древесных пород отмечаются 5 июня и 24 августа: количество связанной воды у березы повышается на 15,1 и 15 %, у сосны – на 23,6 и 24,3 % соответственно (рис. 3).

• □    опыт ■ контроль

Рис. 3. Содержание связанной воды в листьях изучаемых растений

Изменение фракционного состава воды в сторону повышения ее связанной формы у древесных растений в условиях отвала можно рассматривать как приспособительную реакцию растений к дефициту влаги в условиях отвала и повышению их устойчивости.

Анализ годичного прироста боковых побегов изучаемых видов показал, что их интенсивный прирост отмечается в начале вегетации, а к первой декаде июля рост побегов прекращается. В условиях отвала, несмотря на экстремальные условия существования для растений, отмечается прирост годичного побега как у сосны, так и у березы, однако во все сроки наблюдений он значительно меньше, чем у растений контрольного участка (табл. 2).

Наибольшие отличия в приросте боковых побегов у обеих исследуемых пород отмечаются в один и тот же срок – 5 июня: у сосны – на 41,4 % ниже, чем в контроле, у березы – на 35,1 % (табл. 2). В последующие сроки наблюдений (с 15 июня по 5 июля) у березы повислой, произрастающей в условиях отвала, различия с контролем менее выражены и лежат в пределах 17–12 % (у сосны – в пределах 40–28 %).

Годичный прирост боковых побегов древесных растений, произрастающих на породном отвале Кедровского угольного разреза, см

Таблица 2

Площадка	Дата
	05.06	15.06	25.06	05.07
Сосна обыкновенная
Отвал	4,11±0,10	5,42±0,17	7,86±0,18	7,86±0,18
Контроль	7,01±0,10	9,09±0,18	10,92±0,19	10,92±0,19
Береза повислая
Отвал	5,69±0,13	8,92±0,27	10,83±0,26	10,83±0,26
Контроль	8,77±0,68	10,79±0,26	12,38±0,27	12,38±0,27

Выводы . По результатам экспериментов установлена тенденция к снижению общей воды у Pinus sylvestris L. и Betula pendula Roth., произрастающих в условиях отвала. Изучение фракционного состава воды показало, что у Pi-nus sylvestris L. и Betula pendula Roth., произрастающих в условиях отвала, отмечается повышение ее связанной формы во все сроки наблюдений в сравнении с контролем. Максимальные отличия данного показателя от контрольных значений у обеих древесных пород отмечаются 5 июня и 24 августа.

Изменение фракционного состава воды в сторону повышения ее связанной формы у древесных растений в условиях отвала, с одной стороны, повышает устойчивость растений и способствует сохранению вида в экстремальных условиях среды, с другой стороны, приводит к замедлению роста растений, к снижению интенсивности обменных процессов. Данный факт подтверждается результатами изучения роста побегов растений. В условиях отвала, несмотря на экстремальные условия существования для растений, отмечается прирост годичного побега как у Pinus sylvestris L., так и у Betula pendula Roth., однако во все сроки наблюдений он значительно меньше, чем у растений контрольного участка.