Особенности строения корневых систем клена остролистного (Acer platanoides L. ) в условиях нефтехимического загрязнения

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 630*164.3 : 68.47.94

К.А. Васильева, Г.А. Зайцев, А.Ю. Кулагин

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ КОРНЕВЫХ СИСТЕМ КЛЕНА ОСТРОЛИСТНОГО (ACER PLATANOIDES L.) В УСЛОВИЯХ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Изучены особенности строения корневых систем клена остролистного в условиях нефтехимического загрязнения Уфимского промышленного центра. Установлено, что в условиях загрязнения отмечается увеличение корнена-сыщенности почвы в насаждениях клена. Отмечаются изменения во фракционном составе корневых систем. В условиях нефтехимического загрязнения формируются скелетные корневые системы клена остролистного.

Ключевые слова: клен остролистный, корневая система, нефтехимическое загрязнение, адаптация.

На протяжении последних нескольких десятилетий ведутся работы по изучению роли растений в улучшении качества техногенной среды обитания в связи с их способностью поглощать промышленные токсиканты, включая их в собственные метаболические процессы, и тем самым снижать их содержание в окружающей среде, прежде всего - в атмосферном воздухе.

Большинство исследований по изучению особенностей развития древесных растений в условиях загрязнения направлены на изучение адаптивных реакций, происходящих в надземной части древесных растений [1-7]. В то же время устойчивость и успешное произрастание древесных растений в экстремальных лесорастительных условиях зависит и от особенностей формирования и строения корневых систем.

Клен остролистный не является основной лесообразующей породой, при этом он широко представлен в подлеске практически во всех типах леса, а также в городских лесах. Но несмотря на столь широкое распространение, эколого-биологические характеристики клена остролистного в условиях промышленного загрязнения слабо изучены. Практически отсутствуют данные по особенностям строения корневых систем клена остролистного в различных лесорастительных условиях [8; 9].

Целью работы было изучение особенностей строения корневых систем клена остролистного (Асег platanoides L.) в условиях преобладающего нефтехимического типа загрязнения окружающей среды.

Материалы и методика исследований

Исследования проводились в пределах границ г. Уфы. Уфимский промышленный центр относится к зоне с высоким уровнем загрязнения воздуха. Промышленное загрязнение г.Уфы смешанное, с преобладанием углеводородной составляющей [10; 11]. Уровень загрязнения города выше среднего, индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) по годам изменяется в пределах от 10,9 до 11,0. Наиболее загрязненной является северная часть города - в этой части сосредоточены 3 нефтеперерабатывающих завода: ОАО «Уфимский нефтеперерабатывающий завод» (ОАО «УНПЗ»), ОАО «Ново-Уфимский нефтеперерабатывающий завод» (ОАО «НУНПЗ») и ОАО «У фанефтехим», 4 ТЭЦ - У фимская ТЭЦ-

1, Уфимская ТЭЦ-2, Уфимская ТЭЦ-3, Уфимская ТЭЦ-4, завод синтетического спирта ОАО «Уфаоргсинтез», ОАО «Химпром» (закрыт в 2005 г.) и другие крупные предприятия. Лидирующее положение в загрязнении воздушного бассейна Уфимского промышленного центра занимают объекты нефтехимического производства, на долю которых приходится 71% всех выбросов от стационарных источников города, на втором месте - объекты электроэнергетики, на долю которых приходится 28% всех выбросов [11]. В структуре промышленных выбросов в атмосферу г. Уфы лидируют диоксид серы (194,4 тыс. т), ароматические углеводороды и другие летучие органические соединения (174,7 тыс. т) и оксид углерода (91 тыс. т) [11].

В качестве объектов исследований были выбраны одновозрастные насаждения клена в северной части Уфимского промышленного центра в непосредственной близости от источников нефтехимического загрязнения (группа Уфимских НПЗ) (рис. 1). Относительным контролем служили насаждения, расположенные за чертой города на территории Юматовского лесничества Уфимского лесхоз-техникума, пос. Уптино.

Рис. 1. Карта-схема расположения пробных площадей в насаждениях клена остролистного (Асегplatanoides L.) на территории Уфимского промышленного центра

Закладка пробных площадей проводилась согласно стандартным и имеющим длительное практическое применение методикам [12-14].

Исследование строения корневых систем клена остролистного проводили методом монолитов [15-20]. Для изучения корневых систем закладывались почвенные траншеи. Траншеи (почвенные разрезы) на пробных площадях закладывали перпендикулярно направлению роста горизонтальных корней на расстоянии 70 см от ствола. Расположение траншей по сторонам горизонта произвольное. Все почвенные разрезы имели одинаковые размеры 1,5х1 м. Использовали монолиты размером 10х10 см объемом 1 000 см3 (высота монолита 10 см). Почвенные монолиты закладывались вдоль траншеи так, чтобы одна сторона почвенного монолита являлась стенкой траншеи.

Выборку корней из монолитов проводили при помощи пинцета с последующей отмывкой корней водой на ситах с диаметром ячеек 0,5 мм. После отмывки производили разделение корней на фракции [21]: до 1 мм, 1-3 мм и более 3 мм. Корни до 1 мм относили к деятельным и условно деятельным (сосущие), 1-3 мм - к полускелетным (проводящие), более 3 мм - к скелетным (проводящие). Вес корней определялся в воздушно-сухом состоянии на электронных лабораторных весах ВЛТЭ-150 (Госметр, Россия) с точностью до 0,01 г. Корненасыщенность почвы определяли на единицу площади горизонтальной поверхности (г/м2).

Результаты и их обсуждение

Исследования показали, что в условиях нефтехимического загрязнения отмечается увеличение корненасыщенности почвы в насаждениях клена (рис. 2).

Общая корненасыщенность метрового слоя почвы в насаждениях клена в условиях загрязнения составляет 3478,97 г/м2, а в условиях относительного контроля - 1179,69 г/м2. Основная масса корней клена в обоих случаях располагается в верхних горизонтах почвы: в условиях загрязнения в горизонте 0-50 см сосредоточено 64,34% всей массы корней клена, в условиях относительного контроля - 75,86%. Максимальная корненасыщенность почвы в условиях загрязнения отмечается на глубине 10-20 см -598,65 г/м2 (17,21% от массы всех корней), в условиях относительного контроля - на глубине 20-30 см (385,75 г/м2, 32,70% от массы всех корней). Минимальная корненасыщенность почвы в насаждениях клена в условиях нефтехимического загрязнения отмечается на глубине 80-90 см (135,64 г/м2, 3,90% от массы всех корней), в условиях относительного контроля - на глубине 70-80 см (30,09 г/м2, 2,55% от массы всех корней).

0-10 см 10-20 см 20-30 см 30-40 см 40-50см 50-60 см 60-70 см 70-80 см 80-90 см 90-100 см

А

Б

100

200

300

400

500

г/м2

600

Ш I

-‘ р мм Ш 1-3 мм  до 1 мм

100

20-Ú-

«*

4ÛB:

ШШ

тт ж

0-10 см  вКЛ ~1

10-20 ск Щ I

ШШШ см

Рис.2. Корненасыщенность почвы в насаждениях клена остролистного (Acer platanoides L.) в условиях нефтехимического загрязнения уфимского промышленного центра

Установлено, что корненасыщенность метрового слоя почвы поглощающими корнями (рис.З) в условиях нефтехимического загрязнения (542,05 г/м2) выше, чем в условиях относительного контроля (249,94 г/м2).

Рис. 3. Насыщенность почвы поглощающими, полускелетными и скелетными корнями клена остролистного (Acer platanoides L.) в условиях нефтехимического загрязнения уфимского промышленного центра

Максимальная насыщенность почвы поглощающими корнями в условиях загрязнения и в относительном контроле отмечается на глубине 0-10 см (132,54 г/м2 и 73,07 г/м2 соответственно).

Корненасыщенность метрового слоя почвы полускелетными корнями (рис.3) в условиях нефтехимического загрязнения составляет 247,83 г/м2, в условиях относительного контроля - 135,69 г/м2. Максимальная насыщенность почвы полускелетными корнями клена в условиях загрязнения отмечается на глубине 10-20 см (25,94 г/м2), в условиях относительного контроля - на глубине 50-60 см (25,94 г/м2).

Корненасыщенность метрового слоя почвы скелетными корнями (рис. 3) в условиях нефтехимического загрязнения составляет 2689,09 г/м2, в условиях относительного контроля - 794,06 г/м2. Максимальная насыщенность почвы скелетными корнями в условиях загрязнения и в относительном контроле отмечается на глубине 20-30 см (442,17 г/м2 и 338,14 г/м2 соответственно).

Установлены изменения во фракционном составе корневой системы клена остролистного в условиях нефтехимического загрязнения (табл.).

В условиях нефтехимического загрязнения отмечается уменьшение доли поглощающих корней (15,05% - в условиях загрязнения, 30,14% - в относительном контроле) в общей массе корневой системы на фоне увеличения доли скелетной части (77,94% - в условиях загрязнения, 49,78% - в относительном контроле).

Фракционный состав корневой системы клена остролистного (Acer platanoides L.) в условиях нефтехимического загрязнения уфимского промышленного центра

Глубина, см Доля каждой фракции в общей массе корней, %

Нефтехимическое загрязнение Контроль

< 1 мм 1-3 мм >3мм < 1 мм 1-3 мм >3мм

0-10 34,42 8,48 57,10 65,86 10,74 23,40

10-20 20,75 11,13 68,12 59,58 15,62 24,80

20-30 11,49 5,15 83,37 8,13 4,22 87,66

30-40 12,99 4,61 82,40 8,33 6,96 84,72

40-50 9,48 5,49 85,03 37,87 27,36 34,76

50-60 11,70 7,10 81,21 14,35 36,01 49,64

60-70 11,55 7,79 80,66 35,39 25,52 39,09

70-80 8,40 3,37 88,23 28,58 36,99 34,43

80-90 17,22 7,91 74,87 7,20 6,69 86,12

90-100 12,55 9,08 78,37 36,11 30,70 33,19

Анализируя полученные данные, следует отметить, что в условиях нефтехимического загрязнения отмечается увеличение корненасыщенности почвы в 2,95 раза по сравнению с относительным контролем. Схожая картина ранее была отмечена для насаждений сосны обыкновенной [22] и лиственницы Сукачева [23], однако в случае с хвойными увеличение корненасыщенности почвы было не столь значительным (корненасыщенность увеличивалась на 10-15%). Корненасыщенность почвы в насаждениях клена в условиях загрязнения в первую очередь увеличивается за счет увеличении массы скелетных корней (в 3,4 раза по сравнению с относительным контролем). Увеличивается также и доля, приходящаяся на скелетные корни, - в условиях относительного контроля скелетные корни составляют только половину всей массы корневой системы клена (49,78%), тогда как в условиях нефтехимического загрязнения на долю скелетных корней приходится 77,94% всей массы. Несмотря на то что в условиях нефтехимического загрязнения насыщенность поглощающими корнями метрового слоя почвы (542,05 г/м2) в 2,1 раза выше, чем в условиях относительного контроля (249,94 г/м2), доля, приходящаяся на поглощающие корни в общей массе корневой системы клена в условиях загрязнения (15,05%) в 2 раза ниже, чем в контроле (30,14%). Ранее было показано, что при ухудшении условий произрастания в естественных лесных сообществах наблюдаются изменения в структуре древостоя - в общем запасе фитомассы увеличивается доля, приходящаяся на корневую систему [24; 25]. Схожие изменения наблюдаются и в условиях нефтехимического загрязнения для клена остролистного. Можно предположить, что клен остролистный идет по «экстенсивному пути» и наращивает фитомассу корневой системы за счет скелетных (в первую очередь) и поглощающих корней. Но сравнение структуры корневой системы клена показывает, что такое наращивание не может долго обеспечивать должной компенсации (доля поглощающих корней в общей фитомассе корневой системы в условиях нефтехимического загрязнения меньше в 2 раза по сравнению с контролем).

Отмечается также перераспределение корней клена по профилю почвы. Как было отмечено выше, основная масса корней сосредоточена в верхних слоях почвы (в слое 0-50 см), однако корненасы-щенность 50-сантиметрового слоя почвы в условиях нефтехимического загрязнения на 17% меньше, чем в условиях относительного контроля (в условиях загрязнения здесь сосредоточено 64,34% всей массы корней клена, в условиях относительного контроля - 75,86%). Известно, что основная масса поглощающих корней древесных, как правило, сосредоточена в верхних слоях почвы [8; 21]. Несмотря на то что в условиях нефтехимического загрязнения корненасыщенность 0-30 см слоя почвы выше (317,67 г/м2) по сравнению с контролем (162,39 г/м2), корненасыщенность поверхностного слоя почвы в условиях загрязнения на 10% ниже по сравнению с контролем - в условиях загрязнения здесь сосредо-

точено 58,61% всей массы поглощающих корней, тогда как в условиях относительного контроля -64,97%. Данный факт предположительно можно объяснить «уходом» поглощающих корней в более глубокие незагрязненные слои почвы. Отмеченные изменения в строении корневых систем клена остролистного можно рассматривать как адаптивные реакции, направленные на обеспечение устойчивого роста и развития данной древесной породы в условиях нефтехимического загрязнения.

Выводы

1. В условиях нефтехимического загрязнения отмечается увеличение корненасыщенности почвы в насаждениях клена остролистного в 2,95 раза по сравнению с относительным контролем.

2. Отмечаются изменения в строении корневых систем клена остролистного в условиях нефтехимического загрязнения. В условиях загрязнения формируются скелетные корневые системы клена по сравнению с контролем: в условиях загрязнения на долю поглощающих корней приходится 15,05% всей массы корней, а скелетных - 77,94%, тогда как в условиях относительного контроля -30,14% и 49,78% соответственно.

3. Установлено, что в условиях нефтехимического загрязнения происходит перераспределение корней клена остролистного по слоям почвы. В условиях загрязнения в 50-сантиметровом слое почвы сосредоточено 64,34% всей корневой системы, а в условиях относительного контроля - 75,86%. Насыщенность поглощающими корнями самого верхнего 0-30-см слоя почвы в условиях нефтехимического загрязнения также ниже (58,61% всей массы поглощающих корней) по сравнению с контролем (64,97% всех поглощающих корней).

4. Данные изменения в строении корневых систем клена остролистного рассматриваются как адаптивные реакции на действие нефтехимического загрязнения, направленные на обеспечение устойчивого роста и развитие данной древесной породы.

Работа выполнена при поддержке гранта «Адаптивный потенциал и устойчивость древесных растений в техногенных условиях» (Аналитическая ведомственная целевая программа Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы», регистрационный номер: 2.1.1/11330).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кулагин Ю.З. Древесные растения и промышленная среда. М.: Наука, 1974. 125 с.

2. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука. 1979. 280 с.

3. Гетко Н.В. Растения в техногенной среде. Структура и функция ассимиляционного аппарата. Минск: Наука и техника, 1989. 208 с.

4. Николаевский В.С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояния наземных экосистем методами фитоиндикации. М.: Изд-во МГУЛ, 1998. 191 с.

5. Алексеев В.А. Некоторые вопросы диагностики и классификации поврежденных загрязнением лесных экосистем // Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, 1990. С.38-54.

6. Сергейчик С.А. Устойчивость древесных растений в техногенной среде. Минск: Навука i тэхтка, 1994. 279 с.

7. Smith W.H. Air pollution and forest. Interaction between air contaminants and forest ecosystems. New York et al., Springer, 1981. 379 p.

8. Калинин М.И. Корневедение: учеб. пособие. Киев: УМК ВО, 1989. 196 с.

9. Усольцев В.А. Фитомасса лесов Северной Евразии: база данных и география. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2002. 762 с.

10. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и окружающей природной среды Республики Башкортостан в 2008 году. Уфа, 2009. 200 с.

11. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и окружающей природной среды Республики Башкортостан в 2009 году. Уфа, 2010. 189 с.

12. Сукачев В.Н. Программа и методика биогеоценологических исследований. М.: Наука, 1966. 333 с.

13. Методы изучения лесных сообществ / Е.Н. Андреева, И.Ю. Баккал, В.В. Горшков и др. СПб.: НИИХимии СпбГУ, 2002. 240 с.

14. Titus S.J. Manual of Forest Measurements and Sampling. Department of Renewable Resources, University of Alberta, 2004. 488 p.

15. Тарановская М.Г. Методы изучения корневых систем. М.: Сельхозгиз, 1957. 216 с.

16. Колесников В.А. Методы изучения корневой системы древесных растений. М.: Лесн. пром-сть, 1972. 152 с.

17. Красильников П.К. Методика полевого изучения подземных частей растений (с учетом специфики ресур-соведческих исследований). Л.: Наука, 1983. 208 с.

18. Кречетова Н.В., Долгова Л.Н. Лесные культуры. Корневедение древесных пород: учеб. пособие. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. 116 с.

19. Bohm W. Methods of studying root systems // Ecological Studies. Vol.33. Berlin: Springer Verlag, 1979. 188 p.

20. Root Methods: A Handbook / Eds. A.L. Smit, A.G. Bengough, C. Engels, M. van Noordwijk, S. Pellerin and S.C. van de Geijn. Berlin Heidelberg, Springer Press, 2000. 587 p.

21. Рахтеенко И.Н. Корневые системы древесных и кустарничковых пород. М.: Гослесбумиздат, 1952. 106 с.

22. Зайцев Г.А., Кулагин А.Ю. Корненасыщенность почвы в сосняках при нефтехимическом загрязнении // Лесоведение. 2002. №4. С.74-77.

23. Кулагин А.Ю., Зайцев Г.А. Корневая система Larix sukaczewii Dyl. в условиях загрязнения Уфимского промышленного центра // Экология. 2003. №6. С.478-480.

24. Базилевич Н.И., Родин Л.Е. Запасы органического вещества в подземной сфере растительных сообществ суши Земли // Междунар. симп. «Методы изучения продуктивности корневых систем и организмов ризосферы». Л.: Наука, 1968. С.3-7.

25. Максимов С.В. Потенциальная продуктивность фитомассы культур сосны обыкновенной и ее география (на примере Северной Евразии): автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Екатеринбург: УГЛТА, 2003. 22 с.

Поступила в редакцию 25.02.11

K.A. Vasil'eva, G.A. Zaitsev, A. Yu. Kulagin

Structure peculiarities of Norway maple root systems (Acer platanoides L.) under conditions of petrochemical contamination

The article covers the structure peculiarities of Norway maple root systems under conditions of petrochemical contamination of Ufa industrial center. It has been determined that under conditions of contamination the growth of soil saturation by roots in maple plantations is observed. It should be noted that there are changes in fractional composition of root systems. The skeleton root systems of Norway maple are formed under petrochemical contamination conditions.

Keywords: Norway maple, root system, petrochemical contamination, adaptation.

Васильева Ксения Анатольевна, аспирант

ГОУВПО «Башкирский государственный педагогический университет им.М.Акмуллы»

450000, Россия, г. Уфа, ул. Октябрьской революции, 3а E-mail: ksu6a14@mail.ru

Зайцев Глеб Анатольевич, доктор биологических наук, доцент

Учреждение Российской академии наук Институт биологии Уфимского научного центра РАН 450054, Россия, г. Уфа, просп. Октября, 69 E-mail: smu@anrb.ru

Кулагин Алексей Юрьевич, доктор биологических наук, профессор

Учреждение Российской академии наук Институт биологии Уфимского научного центра РАН 450054, Россия, г. Уфа, просп. Октября, 69 E-mail: coolagin@list.ru

Vasileva K.A., postgraduate student Bashkir State Pedagogical University 450000, Russia, Ufa, Oktyabrskoi revolutsii str., 3a E-mail: ksu6a14@mail.ru

Zaitsev G.A., doctor of biology, associate professor

Institute of Biology, Ufa research centre, Russian academy of science

450054, Russia, Ufa, Oktyabrya pr., 69

E-mail: smu@anrb.ru

Kulagin A.Yu., doctor of biology, professor

Institute of Biology, Ufa research centre, Russian academy of science 450054, Russia, Ufa, Oktyabrya pr., 69 E-mail: coolagin@list.ru