Морфофизиологическая оценка состояния березы повислой (Betula pendula Roth), произрастающей в условиях породного отвала Кедровского угольного разреза

Введение. Породный отвал угольного разреза «Кедровский» расположен в северной лесостепи Кемеровской области. При дешифрировании космических снимков Кемеровской области отчетливо прослеживаются значительные площади локальных, очаговых контуров «лунных ландшафтов», возникновение которых напрямую связано с извлечением полезных ископаемых. Наиболее масштабные зоны нарушений обусловлены деятельностью более чем 120 угледобывающих предприятий. При этом общая площадь земель, нарушенных открытой и под- земной разработкой угля, уже превышает 4 % территории Кузбасса, составляя, по разным данным, от 60 до 105 тыс. га. В связи с этим для Кемеровской области приоритетно решение проблем, связанных с нарушением земель предприятиями добывающей промышленности.

В условиях Кузбасса на отвалах угольных разрезов береза повислая является одним из доминирующих видов благодаря ее высокой семенной активности, высокой засухоустойчивости, светолюбивости и нетребовательности к почвенному плодородию. Горные породы, вынесенные на поверхность, обладают иными, чем почвы, свойствами и характеристиками. Экологические условия техногенных элювиев оказываются крайне неблагоприятными для жизнедеятельности растений в связи с недостатком в них минерального питания, и особенно азота. Для нас представляло интерес изучить состояние березы повислой в условиях отвала «Южный» разреза «Кедровский».

Цель исследований . Изучение жизнедеятельности березы повислой, произрастающей в условиях породного отвала, по морфометрическим и физиолого-биохимическим показателям.

Задачи исследований : оценка интенсивности синтетических процессов у растений, произрастающих в условиях породного отвала (по содержанию углеводов и аскорбиновой кислоты); изучение динамики сезонного роста боковых побегов и их элементов.

Объекты и методы . Исследования проведены в июне–августе 2013–2016 гг. на территории отвала «Южный» угольного разреза «Кед-ровский». Возраст отвала более 30 лет. Эксперимент проведен на двух площадках наблюдений (ПН): №1 (опыт) – спланированный породный отвал с фитоценозом естественного происхождения; № 2 (контроль – участок, расположенный в 5 км от породного отвала со сходным по составу фитоценозом). Высота отвала 58 м, площадь составляет 599,3 га. Породы отвала представлены песчаником, алевролитами, аргиллитами, суглинками и глинами. По агрохимическим показателям эмбриоземы ПН № 1 в сравнении с почвами ПН № 2 характеризуются низкой обеспеченностью подвижным фосфором (10–50 мг/кг) и нитратным азотом (3,6–6,0 мг/кг).

Объектом исследований служили смешанные многоярусные насаждения березы повис- лой (Betula pendula Roth) II класса возраста, I-II класса бонитета. Физиолого-биохимические показатели определяли 3 раза за вегетацию – в июне, июле и августе. На каждой пробной площадке (размер не менее 0,25 га) для физиологобиохимических исследований выбирали 5 деревьев хорошего и удовлетворительного жизненного состояния. Морфо-биометрические исследования проводили на 10 модельных деревьях, у которых метили по 10 ветвей нижней трети кроны дерева по периметру. Наблюдения проводились у деревьев, растущих в относительно выровненных условиях освещенности, чтобы свести к минимуму фитоценотическое влияние [1]. Фотосинтетическую способность определяли бескамерным методом, который позволяет рассчитать интенсивность процесса по количеству ассимилятов, образующихся в листьях на каждый грамм их исходного содержания за определенный период экспозиции на свету [2]. Содержание аскорбиновой кислоты в листьях определяли по ГОСТ 24556-89 [3]. Физиолого-биохимические анализы выполнены в 5-кратной повторности. Сезонный прирост боковых побегов в длину измеряли каждые 10 дней, количество листьев на годичном побеге подсчитывали в июле. В конце вегетации массу листь- ев годичных побегов взвешивали на весах, площадь листьев высчитывали с учетом высечек (1х1 см) по методике И.В. Кармановой [4].

Экспериментальные данные обработаны с помощью компьютерных программ Excel и Statistica 6.1.

Результаты и их обсуждение . От состояния фотосинтетического аппарата зависит количество органического вещества, производимого растениями. Реакция фотосинтетического аппарата на изменения условий произрастания является одной из основных и может служить в качестве индикатора окружающей среды [5–7].

Анализ полученных результатов показал, что у березы в течение вегетации синтез ассимиля-тов увеличивается с июня по июль. К концу вегетации (в августе) скорость синтеза углеводов снижается вследствие старения листьев.

Результаты экспериментов показали, что у деревьев, произрастающих в условиях породного отвала, отмечалось снижение синтеза углеводов во все сроки наблюдений в сравнении с контролем. Относительно контроля интенсивность фотосинтеза снижалась на 27,4; 16,6 и 24,2 % в июне, июле и августе соответственно (рис. 1).

□ отвал □ контроль                      месяц

Рис. 1. Фотосинтетическая способность березы повислой, произрастающей в условиях угольного отвала разреза «Кедровский» (средние данные за 2013–2016 гг.)

Аскорбиновая кислота относится к вторичным метаболитам, тем не менее ее содержание отражает уровень синтетических процессов у растений. Результаты экспериментов показали, что у исследуемых деревьев березы содержание аскорбиновой кислоты в течение вегетации во многом сходно с содержанием углеводов, максимальное накопление аскорбата отмечено в июле, а минимальное – в августе.

Максимальное снижение аскорбиновой кислоты в листьях березы относительно контроля отмечено в июне – на 30 %. Минимальное – в августе – на 13,6 % относительно контроля (рис. 2).

Рост, прежде всего, – это необратимое увеличение размеров, объема, массы организма, которое сопровождается образованием новых органов (листьев, побегов). Иначе говоря, рост растений включает формообразовательные процессы. Величина аккумуляции сухого вещества, представление о которой в первую очередь слагается на основе веса и площади листьев, является важной характеристикой, так как на рост растения могут повлиять окружающие условия [4]. Наиболее простым и доступным способом оценки состояния окружающей среды является определение величин роста расчетными методами [8–11].

Исследования показали, что боковые побеги березы повислой сформировались в период с 07 по 27 июня.

июнь            июль            август

• □ отвал □ контроль                      месяц

  Рис. 2. Содержание аскорбиновой кислоты в листьях березы повислой, произрастающей в условиях угольного отвала разреза «Кедровский» (средние данные за 2013–2016 гг.)

отвал                  ^^^ контроль

Рис. 3. Годичный прирост боковых побегов березы повислой, произрастающей в условиях отвала разреза «Кедровский» (средние данные за 2013–2016 гг.)

Так, максимальное снижение прироста боковых побегов березы отмечено 07 июня – на 40 % ниже, чем в контроле (см. рис. 3).

Количество и масса листьев являются морфологическими характеристиками, отражающими процессы роста.

У березы повислой отмечалось снижение таких морфометрических показателей, как количество листьев, масса и площадь листьев на 17, 20 и 17 % относительно контроля соответственно.

Заключение . Полученные экспериментальные данные показывают, что при недостатке питательных веществ в условиях отвала у березы наблюдаются негативные изменения роста и развития. На молекулярном и клеточном уровне отмечается снижение синтеза первичных и вторичных метаболитов (углеводов и аскорбиновой кислоты); на уровне побегов отмечается снижение их прироста за вегетацию, числа, площади и массы листьев. Эти данные подтверждаются данными корреляционного анализа. Установлена достоверная прямая корреляция между содержанием аскорбиновой кислоты и приростом годичного побега (r = 0,2; при p < 0,05; n= 560).

Таким образом, стратегия произрастания березы в неблагоприятных условиях отвала направлена на экономию пластических веществ.