Коэффициент неравномерности распределения корней в почве

Введение. Многие исследователи при изучении эколого-биологических особенностей того или иного вида растений в различных условиях произрастания основное внимание уделяют характеристике надземных вегетативных органов, прежде всего – ассимиляционному аппарату. Однако рост, развитие и устойчивость растительного организма зависят также от особенностей корневых систем [3, 7, 8].

Методический аппарат исследования корневых систем отличается противоречивостью и множеством нерешенных вопросов. В настоящее время в дендроэкологии отсутствуют математические методы определения влияния условий произрастания (прежде всего – промышленного загрязнения) на какой-либо количественный параметр [2]. В частности, нет методики определения степени равномерности распределения корней в почве. Однако известно, что под влиянием техногенного загрязнения равномерность распределения корней в почве существенно изменяется [2, 8, 9].

Цель работы . Разработать формулу для расчета степени неравномерности распределения корней древесных растений в почве.

Материалы и методы исследования. Основными количественными методами исследования корневых систем древесных растений в условиях техногенеза являются методы бура и монолитов [2, 6]. Метод бура предполагает бурение скважин через каждые 10 см глубины в нескольких точках вокруг модельного дерева (или модельных деревьев) на расстоянии не более 1 м от ствола. Метод монолитов предполагает закладку почвенных траншей в 70 см от ствола модельного дерева и последующее извлечение моноблоков (объемом в основном 1000 см³) через каждые 10 (в некоторых случаях – через каждые 20 см) см почвы в 10-кратной повторности с каждой глубины. Почвенные траншеи и скважины обычно закладываются до глубины 1 м (в редких случаях – до глубины 2 м). При применении как метода бура, так и метода монолитов в дальнейшем из блоков с землей извлекаются корни (пинцетом или при помощи сита). Затем измеряется масса (г/10^-1 м³) и длина (см/10^-1 м³) корней [2]. Традиционно корни делят на следующие фракции: поглощающие (диаметром менее 1 мм), полускелетные (1–3 мм) и скелетные (более 3 мм) [3].

Результаты исследования и обсуждение. Ранее, в 2008–2011 гг., были исследованы корневые системы липы мелколистной ( Tilia cordata Mill.) в условиях Уфимского (смешанный тип загрязнения с преобладанием углеводородного компонента) и Стерлитамакского (смешанный тип загрязнения со значительной – более 40 % – долей тяжелых металлов в объемах загрязняющих веществ) промышленных центров [1]. При изучении особенностей формирования корневых систем применялся метод монолитов, определялась суммарная масса корней метрового слоя почвы, масса корней отдельных фракций, а также масса корней на каждой глубине [2].

Объектами исследования служили древостои липы мелколистной всех классов возраста: молодняк (0–10 лет), жердняк (11–20 лет), средневозрастной (21–30 лет), приспевающий (31–40 лет), спелый (41–50 лет) и перестойный (старше 50 лет).

В процессе изучения особенностей формирования и строения корневых систем липы мелколистной в условиях техногенного загрязнения была разработана формула для расчета коэффициента неравномерности распределения корней в почве по количественным параметрам (масса или длина корней)

К НР

| ^Д1| +|^A 2 | +|^Аз| + ••• + |^A m - 2 | + |^A m - 11

•100% ,

( m ^- 1 ) - ( n i + n 2 + .•••+ n m - 1 + n m )

где К НР - коэффициент неравномерности распределения корней в почве; |Д 1| , |Д ₂| , ... |Д _m - 1 1 - модуль разности значений исследуемого количественного параметра (масса или длина корней) между двумя соседними десятисантиметровыми слоями почвенного разреза; n – абсолютные значения исследуемого параметра; m – количество измерений анализируемого параметра. Чем меньше значение К _НР , тем корни распределены в почве более равномерно.

Поскольку абсолютные значения указанных параметров (масса и длина корней) отличаются друг от друга (к тому же имеют разные единицы измерения), предлагается рассчитывать коэффициент неравномерности распределения корней в почве в относительных значениях. Зная относительные значения данного коэффициента, можно рассчитать его абсолютные значения.

Данная формула позволяет вычислить, насколько в среднем отличаются значения массы или длины корней между двумя любыми соседними десяти – или двадцатисантиметровыми слоями почвы, что в свою очередь является показателем влияния техногенных факторов на формирвание корневых систем.

В условиях Уфимского промышленного центра значения коэффициента неравномерности варьируют от 2,4 % (0–10 лет) до 12,7 % (41–50 лет). В целом можно констатировать, что до 20-летнего возраста корни липы распределяются по профилю почвы равномерно и их распределение соответствует таковому в условиях контроля. Начиная с приспевающего возраста, наблюдается уменьшение равномерности распределения корневой массы по глубине (рис. 1). Данные результаты согласуются с материалами предыдущих ис-следованиий, согласно которым до 20-летнего возраста в условиях Уфимского промышленного центра масса корней липы мелколистной в загрязнении и контроле не отличается. В приспевающей генерации имеет место увеличение массы корней – как общей, так и отдельных фракций (в особенности – массы скелетных корней). Также ранее было показано, что в этом возрасте (старше 20 лет) основная масса корней концентрируется в слое 10–40 см, в котором сосредоточено более 55 % всех корней [5, 9]. Подобная особенность коррелирует с данными по аккумулирующей способности корней липы мелколистной: активное накопление токсикантов корнями начинается после 20 лет жизни [4].

К НР , %

0-10     11-20    21-30    31-40    41-50

загрязнение контроль

> 50

возраст, лет

Рис. 1. Значения коэффициента неравномерности распределения корней липы мелколистной в условиях Уфимского промышленного центра

В Стерлитамакском промышленном центре коэффициент неравномерности варьирует от 1,9 до 6,7 %. Причем высокие значения данного параметра зарегистрированы лишь для деревьев в возрасте 10–30 лет. В остальные этапы онтогенеза корни распределены в почве равномерно (рис. 2). В предыдущих исследованиях было показано, что у липы мелколистной в условиях Стерлитамакского промышленного центра увеличение корненасыщенности почвы происходит только у деревьев в возрасте 10–30 лет (жердняк и средневозрастные деревья). В последующих возрастных генерациях наблюдается ярко выраженная деструкция дре- востоев, в том числе и в уменьшении корненасыщенности почвы [5]. Аналогично установлено, что с 30летнего возраста имеет место устойчивое снижение аккумулирующей способности корней [4].

Рис. 2. Значения коэффициента неравномерности распределения корней липы мелколистной в условиях Стерлитамакского промышленного центра

Выводы

• 1.    Разработана формула для расчета коэффициента неравномерности распределения корней древесных растений в почве. Показано, что степень неравномерности распределения корней в почве у липы мелколистной коррелирует с увеличением корненасыщенности почвы и аккумулирующей способности и связана с последними прямой зависимостью.

• 2.    Разработанная формула позволяет оценить влияние уровня загрязнения на формирование корневых систем и рекомендуется к применению специалистами в области индустриальной дендроэкологии.