Адаптация корневых систем хвойных древесных растений к экстремальным лесорастительным условиям

На правах рукописи

 

Зайцев Глеб Анатольевич

 

Адаптация корневых систем хвойных древесных растений к экстремальным лесорастительным условиям

 

 

Специальность 03.00.16 – экология

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

 

Тольятти 2008

Работа выполнена в лаборатории лесоведения

Института биологии Уфимского научного центра Российской академии наук

 

 

Научный консультант:	Заслуженный деятель науки РБ и РФ, доктор биологических наук, профессор, Кулагин Алексей Юрьевич
Официальные оппоненты:	член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор, Жиров Владимир Константинович   доктор биологических наук, профессор, Ярмишко Василий Трофимович   доктор биологических наук, профессор, Шустов Михаил Викторович
Ведущая организация:	Московский государственный университет леса (г. Мытищи)

 

 

Защита состоится 14 октября 2008 г. в 11⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу:

445003, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Комзина, 10.

Тел. [phone], тел./факс [phone]

E-mail: [e-mail]

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом – в сети Интернет на сайте ВАК по адресу: www.vak.ed.gov.ru

 

Автореферат разослан «___» _______________ 2008 г.

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат биологических наук А.Л. Маленев

Общая характеристика работы

 

Древесные растения, произрастая в различных лесорастительных условиях, вынуждены адаптироваться к условиям окружающей среды. И от успешности адаптации зависит дальнейшее существование данного растения в конкретных лесорастительных условиях. Древесные растения реализуют свой адаптивный потенциал через изменения, происходящие в растениях под действием различных, в том числе и экстремальных, экологических факторов и обеспечение устойчивого развития древесных растений в конкретных экстремальных ЛРУ сопровождается изменением показателей на всех уровнях организации (от молекулярного до популяционного) (Чуваев, Кулагин, Гетко, 1973; Кулагин 1974, 1980; Тарабрин, 1984; Кулагин, 2006). Произрастая длительное время в экстремальных лесорастительных условиях, древесные растения вырабатывают комплекс адаптивных реакций, обеспечивающих их устойчивое произрастание. И с изменением экологических условий, а в природе они часто происходят постепенно (за исключением катастрофических изменений), древесные растения успевают выработать новые механизмы адаптации или используют сложившиеся адаптации, используемые растениями в сходных экстремальных лесорастительных условиях. (Кулагин, 1974; Илькун, 1978; Николаевский, 1979, 1998; Smith, 1981). Однако в последнее столетие добавился новый экологический фактор в виде антропогенного изменения окружающей среды, проявляющегося в виде промышленного загрязнения, формирования новых ландшафтов (отвалов, карьеров и т.д.). В последнее столетие техногенное воздействие и объемы перемещаемых человеком химических веществ в биосфере стали сопоставимы с масштабами геологических и других природных процессов (Ферсман, 1958). Подсчет количества поступающих токсикантов в окружающую среду (в том числе, металлов) показывает, что человеческая деятельность в настоящее время является основным фактором воздействия на глобальные и региональные циклы большинства химических элементов (Nriagu, Pacyna, 1988). Древесные растения не выработали специфические адаптивные реакции на действие техногенеза и используют сложившиеся механизмы адаптации, выработанные на действие природных экстремальных факторов. Поэтому изучение адаптивных реакций древесных растений на действие антропогенных факторов следует проводить одновременно в сравнении с адаптивными реакциями на действие природных экстремальных факторов.

Актуальность исследований. Большинство исследований, проводимых как в России, так и за рубежом, по изучению особенностей развития древесных растений в различных лесорастительных условиях (в том числе и экстремальных) направлены на изучение адаптивных реакций, происходящих в надземной части древесных растений. В то же время, устойчивость и успешное произрастание древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях зависит и от особенностей формирования и строения корневых систем. Кроме того, остается особо актуальным вопрос создания устойчивых санитарно-защитных насаждений в различных промышленных центрах с учетом всех эколого-биологических особенностей древесных растений, недостаточно разработаны методические аспекты изучения корневых систем древесных растений, в частности имеются различные подходы в использовании метода бура в эколого-биологических исследованиях древесных растений.

Целью работы было изучение особенностей формирования, строения и адаптации корневых систем лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) при произрастании в экстремальных лесорастительных условиях природного и антропогенного характера.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Оценить относительно жизненное состояние насаждений лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной в различных экстремальных лесорастительных условиях природного и антропогенного характера.

2. Изучить особенности формирования корневых систем светлохвойных древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях.

3. Выявить общие и видоспецифические реакции корневых систем лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной на действие экстремальных факторов.

4. Обосновать возможность использования светлохвойных видов в создании санитарно-защитных насаждений в промышленных центрах.

5. Провести сравнительную оценку методов исследований корневых систем древесных растений (методы бура и монолитов) и дать рекомендации по использованию метода бура при исследовании корневых систем древесных растений.

Научная новизна: заключается в том, что представлена подробная характеристика корневых систем лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной, произрастающих в различных экстремальных лесорастительных условиях. Выявлены общие (снижение корненасыщенности почвы, снижение доли поглощающих корней в общей массе корневой системы) и видоспецифические реакции корневых систем светлохвойных на действие экстремальных факторов среды (формирование более мощных корневых систем у лиственницы Сукачева за счет содержания большей доли поглощающих корней). Впервые на примере хвойных древесных пород показано, что метод бура дает завышенные данные по корненасыщенности почвы и не может быть рекомендован в качестве самостоятельного метода при изучении корневых систем древесных растений.

Содержание работы

ВВЕДЕНИЕ

 

Обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, показана научная новизна, практическая и теоретическая значимость работы. Даны положения, выносимые на защиту.

 

Выводы

1. Дана сравнительная эколого-биологическая характеристика светлохвойных видов сем. Pinaceae – лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной, произрастающих в экстремальных лесорастительных условиях природного и антропогенного характера. Установлено, что относительное жизненное состояние насаждений хвойных в природных экстремальных условиях в целом выше, чем в антропогенных лесорастительных условиях. При этом ОЖС насаждений лиственницы Сукачева в экстремальных лесорастительных условиях выше, чем у насаждений сосны обыкновенной.

2. Установлено, что в экстремальных лесорастительных условиях отмечается снижение корненасыщенности почвы в насаждениях лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной, за исключением условий с многолетней почвенной мерзлотой, высотной поясности и нефтехимического типа загрязнения окружающей среды. Лиственница Сукачева в экстремальных лесорастительных условиях всегда формирует более мощную (по массе) корневую систему по сравнению с сосной обыкновенной.

3. Установлены общие реакции корневых систем светлохвойных видов при произрастании в экстремальных лесорастительных условиях. Во всех случаях основная масса корневой системы лиственницы Сукачева (39,73-100%) и сосны обыкновенной (74,34-100%) сосредоточена в верхнем 50 см слое почвы. Кроме того, в насаждениях лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной в экстремальных лесорастительных условиях отмечается снижение доли поглощающих корней в общей массе корневой системы.

4. Установлены видоспецифические реакции корневых систем светлохвойных видов при произрастании в экстремальных лесорастительных условиях. Отклонения в корненасыщенности почвы (в сторону увеличения или снижения общей массы корней) по сравнению с контрольными значениями всегда выше в насаждениях сосны обыкновенной. Средняя доля поглощающих корней в насаждениях лиственницы Сукачева в экстремальных лесорастительных условиях в целом выше, чем в насаждениях сосны обыкновенной в сходных экологических условиях, за исключением насаждений, произрастающих на инсолируемых крутосклонах Бугульминско-Белебеевской возвышенности и на отвалах Кумертауского буроугольного разреза.

5. Экстремальные абиотические факторы среды влияют на распределение поглощающих корней лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной, как правило, напрямую, либо в случае с техногенными условиями опосредованно через изменение условий среды обитания корней вследствие промышленного загрязнения. Установлено сходство в развитии поглощающих корней лиственницы Сукачева в экстремальных лесорастительных условиях антропогенного происхождения (аэротехногенное нефтехимическое и полиметаллическое загрязнение) и поглощающих корней сосны обыкновенной в экстремальных лесорастительных условиях природного и антропогенного характера (отвалы Кумертауского буроугольного разреза и крутосклоны Бугульминско-Белебеевской возвышенности) и в сходных природно-климатических условиях (Кумертауский и Стерлитамакский промышленные центры, Уфимский промышленный центр).

6. При отборе проб корней древесных растений при помощи бура в 10 кратной повторности, данные о корненасыщенности почвы завышаются. Причем, максимальное превышение корненасыщенности может достигать 2600%. В среднем корненасыщенность почвы, полученная по методу бура, превышает аналогичные показатели, полученные по методу монолита в 1,1-12,7 раз. Кроме того, при расчете фракционного состава корневых систем отмечается завышение доли поглощающих корней в общей массе корней (в среднем в два раза). Поэтому метод бура в 10 кратной повторности не может быть рекомендован в качестве основного метода при изучении корневых систем древесных растений, поскольку дает завышенные данные.

7. Установленные изменения в формировании и строении корневых систем сосны обыкновенной и лиственницы Сукачева, заключающиеся в изменении корненасыщенности почвы и изменении фракционного состава корневых систем, являются адаптивными реакциями, направленные на обеспечение устойчивого роста и развития изученных древесных пород в данных экстремальных лесорастительных условиях. За счет успешного развития корневых систем в антропогенных экстремальных лесорастительных условиях сосна обыкновенная и лиственница Сукачева произрастает в условиях промышленного загрязнения, что позволяет рекомендовать данные древесные виды к использованию в создании санитарно-защитных насаждений в крупных промышленных центрах (с учетом природно-климатических особенностей). За счет успешного формирования корневых систем сосны обыкновенной и лиственницы Сукачева в экстремальных лесорастительных условиях природного и антропогенного характера можно прогнозировать в дальнейшем устойчивый рост и развитие указанных древесных пород.

 

На правах рукописи

 

Зайцев Глеб Анатольевич

 

Адаптация корневых систем хвойных древесных растений к экстремальным лесорастительным условиям

 

 

Специальность 03.00.16 – экология

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

 

Тольятти 2008

Работа выполнена в лаборатории лесоведения

Института биологии Уфимского научного центра Российской академии наук

 

 

Научный консультант:	Заслуженный деятель науки РБ и РФ, доктор биологических наук, профессор, Кулагин Алексей Юрьевич
Официальные оппоненты:	член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор, Жиров Владимир Константинович   доктор биологических наук, профессор, Ярмишко Василий Трофимович   доктор биологических наук, профессор, Шустов Михаил Викторович
Ведущая организация:	Московский государственный университет леса (г. Мытищи)

 

 

Защита состоится 14 октября 2008 г. в 11⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу:

445003, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Комзина, 10.

Тел. [phone], тел./факс [phone]

E-mail: [e-mail]

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом – в сети Интернет на сайте ВАК по адресу: www.vak.ed.gov.ru

 

Автореферат разослан «___» _______________ 2008 г.

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат биологических наук А.Л. Маленев

Общая характеристика работы

 

Древесные растения, произрастая в различных лесорастительных условиях, вынуждены адаптироваться к условиям окружающей среды. И от успешности адаптации зависит дальнейшее существование данного растения в конкретных лесорастительных условиях. Древесные растения реализуют свой адаптивный потенциал через изменения, происходящие в растениях под действием различных, в том числе и экстремальных, экологических факторов и обеспечение устойчивого развития древесных растений в конкретных экстремальных ЛРУ сопровождается изменением показателей на всех уровнях организации (от молекулярного до популяционного) (Чуваев, Кулагин, Гетко, 1973; Кулагин 1974, 1980; Тарабрин, 1984; Кулагин, 2006). Произрастая длительное время в экстремальных лесорастительных условиях, древесные растения вырабатывают комплекс адаптивных реакций, обеспечивающих их устойчивое произрастание. И с изменением экологических условий, а в природе они часто происходят постепенно (за исключением катастрофических изменений), древесные растения успевают выработать новые механизмы адаптации или используют сложившиеся адаптации, используемые растениями в сходных экстремальных лесорастительных условиях. (Кулагин, 1974; Илькун, 1978; Николаевский, 1979, 1998; Smith, 1981). Однако в последнее столетие добавился новый экологический фактор в виде антропогенного изменения окружающей среды, проявляющегося в виде промышленного загрязнения, формирования новых ландшафтов (отвалов, карьеров и т.д.). В последнее столетие техногенное воздействие и объемы перемещаемых человеком химических веществ в биосфере стали сопоставимы с масштабами геологических и других природных процессов (Ферсман, 1958). Подсчет количества поступающих токсикантов в окружающую среду (в том числе, металлов) показывает, что человеческая деятельность в настоящее время является основным фактором воздействия на глобальные и региональные циклы большинства химических элементов (Nriagu, Pacyna, 1988). Древесные растения не выработали специфические адаптивные реакции на действие техногенеза и используют сложившиеся механизмы адаптации, выработанные на действие природных экстремальных факторов. Поэтому изучение адаптивных реакций древесных растений на действие антропогенных факторов следует проводить одновременно в сравнении с адаптивными реакциями на действие природных экстремальных факторов.

Актуальность исследований. Большинство исследований, проводимых как в России, так и за рубежом, по изучению особенностей развития древесных растений в различных лесорастительных условиях (в том числе и экстремальных) направлены на изучение адаптивных реакций, происходящих в надземной части древесных растений. В то же время, устойчивость и успешное произрастание древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях зависит и от особенностей формирования и строения корневых систем. Кроме того, остается особо актуальным вопрос создания устойчивых санитарно-защитных насаждений в различных промышленных центрах с учетом всех эколого-биологических особенностей древесных растений, недостаточно разработаны методические аспекты изучения корневых систем древесных растений, в частности имеются различные подходы в использовании метода бура в эколого-биологических исследованиях древесных растений.

Целью работы было изучение особенностей формирования, строения и адаптации корневых систем лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) при произрастании в экстремальных лесорастительных условиях природного и антропогенного характера.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Оценить относительно жизненное состояние насаждений лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной в различных экстремальных лесорастительных условиях природного и антропогенного характера.

2. Изучить особенности формирования корневых систем светлохвойных древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях.

3. Выявить общие и видоспецифические реакции корневых систем лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной на действие экстремальных факторов.

4. Обосновать возможность использования светлохвойных видов в создании санитарно-защитных насаждений в промышленных центрах.

5. Провести сравнительную оценку методов исследований корневых систем древесных растений (методы бура и монолитов) и дать рекомендации по использованию метода бура при исследовании корневых систем древесных растений.

Научная новизна: заключается в том, что представлена подробная характеристика корневых систем лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной, произрастающих в различных экстремальных лесорастительных условиях. Выявлены общие (снижение корненасыщенности почвы, снижение доли поглощающих корней в общей массе корневой системы) и видоспецифические реакции корневых систем светлохвойных на действие экстремальных факторов среды (формирование более мощных корневых систем у лиственницы Сукачева за счет содержания большей доли поглощающих корней). Впервые на примере хвойных древесных пород показано, что метод бура дает завышенные данные по корненасыщенности почвы и не может быть рекомендован в качестве самостоятельного метода при изучении корневых систем древесных растений.