Морфофизиологические изменения в листьях осины и березы при воздействии токсикантов

МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ЛИСТЬЯХ ОСИНЫ И БЕРЕЗЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТОКСИКАНТОВ

АН. БЕЛОВ, Н.Б. ПАНИНА

В результате повреждений техногенными загрязнителями резко снижается прирост древесины, формируются укороченные побеги, уменьшается плотность зеленой фито-массы, происходит физиологическое ослабление деревьев. Признаки повреждения листьев токсическими веществами могут быть скрытыми, хроническими и острыми. Острое поражение растений чаще всего происходит при кратковременном выбросе высокой повреждающей концентрации токсических веществ или длительном контакте с токсикантами в меньших дозах.

Визуальные признаки острого поражения растений наиболее полно изучены при их контактном взаимодействии с веществами - загрязнителями атмосферы. Они проявляются в форме пятен или потемнений, рассеянных по всей листовой пластинке между жилок; скручивания, потери тургора, опадения листьев, усыхания побегов. Менее изучена патологическая картина в случае попадания токсических веществ в крону дерева с восходящим током от корневой системы.

В ходе исследований по совершенствованию метода «химической подсушки» лиственных пород при реконструкции смешанных древостоев нами проведен анализ мор-фофизиологических изменений листьев осины и березы при инъекции гербицида в стволы деревьев. Натурные опыты проведены во второй и третьей декадах июля в 20-летних среднесомкнутых древостоях с использованием препарата «Баста». На каждом опытном участке отбирали 6-12 деревьев одинаковой высоты, толщины ствола и плотности зеленой кроновой фитомассы. Гербицид (норма расхода по препарату - 0,5 мл на дерево) после разбавления дистиллированной водой в пропорции 1/5 равномерно распределяли в 5 насечках в коре по окружности ствола на высоте груди с помощью шприцов фирмы «Hamilton» (Швейцария). В отдельных опы-

тах использовали нормы расхода препарата 1, 2 и 3 мл на дерево. Начиная со второго дня после обработки, отбирали модельные ветви длиной 30 см из верхнего, среднего и нижнего слоев кроны с четырех сторон света. В лабораторных условиях проводили визуальную оценку цветовых изменений листьев с последующим определением влажности и содержания хлорофилла.

Степень повреждения листьев токсикантом оценивали с использованием пятибалльной шкалы: 1 - листья нормальной окраски; 2 - до 50 % площади листовой пластинки приобрело патологическую окраску, а именно серый (пепельный) оттенок; 3 - вся пластинка приобрела серый оттенок, у листьев осины, кроме того, могут встречаться белесые пятна, пластинки деформированы; 4 - преобладание коричневой окраски, особенно на верхней поверхности пластинки; 5 - сплошная бурая окраска листовой пластинки.

Оценку физиологических параметров листьев проводили в двух вариантах: помимо рендомизированных выборок листьев разной степени повреждения из отдельных частей крон деревьев, использовали унифицированные пробы листьев одного и того же цветового балла. Влажность листьев определяли по разнице в массе проб листьев до и после высушивания. При анализе содержания хлорофилла листья размельчали и перемешивали. Затем навеску массой 0,5 г растирали в ступке с добавлением 0,1-0,3 г СаС03 (М§С03) и стеклянной крошки для разрушения клеточных структур и делали вытяжку в 96-процентном этаноле. Количество хлорофилла в вытяжке определяли стандартным спектрофотометрическим методом при длинах волн 665 нм для хлорофилла А и 649 нм для хлорофилла Б.

Расчет содержания хлорофилла в абсолютно сухой массе листьев проводили, используя полученные данные о концентра-

ции пигмента, массе навески влажного растительного материала, объеме вытяжки и содержании воды в растительном материале.

В проведении полевых и лабораторных работ принимал участие научный сотрудник ВНИИХлесхоза Е. А. Жуков.

Как показал анализ экспериментальных данных, относительная влажность листьев одной и той же степени повреждения варьировала в разные дни и была положительно связана с влажностью воздуха в момент отбора проб. В то же время во всех случаях развитие патологического процесса (по визуальным признакам) сопровождалось уменьшением содержания влаги в листьях. Статистическая связь между относительной влажностью листьев и оценкой степени повреждения (в баллах) для проб, отобранных в разные дни и в разных участках древостоя, характеризуется коэффициентом корреляции от - 0,890 до - 0,734. В обобщенном виде она может быть выражена гиперболической зависимостью: для осины Нт = 0,776#от + 0,234 при Мх = 0,031,

для березы Нт = 0,654/> + 0,346 при Мх = 0,065, где Нт - частное от деления значений относительной влажности листьев соответственно г-го и первого баллов визуальной шкалы степени повреждения, в долях единицы; Ат - балл визуальной шкалы степени повреждения листа; Мх - стандартная ошибка уравнения регрессии.

В период исследований значения относительной влажности листьев без признаков повреждения в разные дни колебались от 70,4 до 57,5 % у осины и от 73,9 до 64,5 % у березы. Для листьев с наиболее сильно выраженными признаками повреждения эти оценки варьировали в пределах от 33,2 до 14,8 % и от 37,5 до 22,9 % соответственно.

Приведенные материалы показывают, что использованная шкала визуальной оценки степени повреждения листьев достаточно объективно отражает последовательные стадии обезвоживания растений при их остром поражении токсикантами.

Как показали наблюдения, развитие токсического процесса происходит с разной скоростью не только в разных частях кроны, но и даже в пределах отдельно взятых ветвей. Наряду со средне и сильно пораженными листьями сравнительно долго встречаются листья в начальной стадии повреждения или даже вовсе без морфологических признаков патологического процесса. Следует однако отметить, что уже на 2-е и 3-и сутки после обработки деревьев гербицидом влажность внешне здоровых листьев уменьшалась на 5-10 %, хотя эта величина практически равна выборочной ошибке опыта. Характерно, что в листовом опаде крайне редко встречались листья, состояние которых оценивалось баллом 1 по приведенной выше морфологической шкале, в то время как доля листьев 2-й цветовой категории в некоторых сборах достигала 40 %.

Последний факт говорит о том, что уже первые отмеченные нами визуальные цветовые изменения свидетельствуют о необратимой патологии листьев, а соответствующие потери влаги листьями (18-23 %) при остром токсическом повреждении указывают на фактически произошедшую физиологическую гибель растительного организма.

В целом по мере нарастания патологического процесса доля внешне неповрежденных листьев закономерно уменьшалась, и в то же время увеличивалась доля листьев с наиболее выраженными морфологическими изменениями. Между долей листьев с признаками токсического воздействия и средней влажностью листьев отмечена отрицательная зависимость: в условиях сухой погоды коэффициент корреляции равен - 0,788 для осины и - 0,710 для березы. Теснота связи постепенно уменьшается по мере развития токсического процесса, сильное негативное влияние на нее оказывают осадки.

В связи с разной скоростью течения патологического процесса в разных частях кроны для количественной характеристики степени повреждения отдельного дерева или древостоя в целом целесообразно использовать обобщенный показатель - морфологический индекс, рассчитываемый как средневзвешенная величина из балльных оценок

степени повреждения листьев в их рендоми-зированной выборке. Как показал анализ экспериментальных данных, имеется достоверная связь между морфологическим индексом и относительной влажностью листьев в соответствующей выборке: коэффициент корреляции в разные дни и в разных древостоях колебался от - 0,770 до - 0,738. По данным, полученным в дни без осадков (11 и 12 июля), зависимость близка к линейной и может быть выражена уравнениями: для осины Нт = 70,151 - 9,151 Мг при Мх = 7,4,

для березы Нт = 72,178 - 9,578 Мг при Мх = 8,8, где Мг - морфологический индекс, баллы.

После выпадения осадков показатель связи существенно снижался (до - 0,5 и менее), а непосредственно после проливных дождей листья всех степеней повреждения имели практически одинаковую влажность.

Результаты сопоставления оценок морфологического индекса и данных о содержании хлорофилла в пробах листьев приведены в табл. 1.

Материалы таблицы свидетельствуют о наличии тесной отрицательной зависимости, причем во всех случаях по мере увеличения оценки морфологического индекса, т. е. по мере развития патологического процесса, более очевидным было уменьшение содержания хлорофилла А. Наименее ин-

формативными в этом отношении являются сведения о содержании хлорофилла Б.

В отличие от показателей относительной влажности листьев связь морфологического индекса с содержанием хлорофилла остается достоверной в широком спектре погодных условий.

Использованная послойная схема отбора листьев с опытных деревьев позволяет оценить варьирование показателей патологического процесса в пространстве. Как показал дисперсионный анализ, колебания численных значений морфологического индекса, относительной влажности листьев и содержания в них хлорофилла не связаны с местоположением ветвей относительно сторон света: рассчитанные величины критерия Фишера были значительно меньше теоретических при вероятности 95 %.

На наш взгляд, это связано с тем, что листья каждого высотного слоя кроны, независимо от румба, находятся в примерно равных гидротермических условиях, что и обусловливает одинаковую скорость течения процесса их обезвоживания и сопутствующих морфологических и физиологических изменений.

В то же время разброс морфофизио-логических параметров в пробах, взятых в разных высотных слоях и на разных деревьях, определенно превышал пределы обычного выборочного варьирования.

Таблица 1

Результаты анализа зависимости морфологического индекса (М1, баллы) от содержания хлорофилла в листьях (Ск, мг/г абс. сухой массы), по данным 12 пробных площадей

Дата Порода Тип хлорофилла г т Уравнение регрессии

11,07 Береза А - 0,841 0,171 СИ = 4,76 - 0,457 М

Б - 0,590 0,255 СИ = 2,05 - 0,138 М

Общий - 0,813 0,184 СИ = 6,81 - 0,598 Мг

12,07 Осина А - 0,820 0,181 СИ = 7,46 - 1,598 М

Б - 0,642 0,242 СИ = 3,08 - 0,517 М

Общий - 0,787 0,195 СИ = 10,53 - 2,113 Мг

14,07 Береза А - 0,896 0,141 СИ = 5,81 - 1,310 М

Б - 0,775 0,200 СИ = 1,95 - 0,302 М

Общий - 0,875 0,153 СИ = 7,74 - 1,600 Мг

15,07 Осина А - 0,946 0,103 СИ = 6,49 - 1,252 М

Б - 0,913 0,129 СИ = 3,32 - 0,558 М

Общий - 0,940 0,107 СИ = 9,86 - 1,825 Мг

Таблица 3

Результаты дисперсионного анализа оценок морфологического индекса

Таблица 2

Значения морфологического индекса в пробах листьев из разных высотных слоев крон 6 деревьев

Дата Порода Часть кроны Номер учетного дерева

1 2 3 4 5 6

Верх 2,53 2,98 2,79 2,93 3,00 2,92

11,07 Береза Середина 1,20 2,89 1,68 1,90 2,73 2,58

Низ 1,01 1,86 1,04 1,00 1,83 1,07

Верх 2,14 3,20 3,00 2,46 3,19 3,06

12,07 Осина Середина 1,60 2,18 3,00 1,29 2,91 3,03

Низ 1,11 2,14 2,00 1,35 2,59 3,00

Верх 3,05 3,23 2,73 3,06 3,00 3,10

14,07 Береза Середина 1,10 2,05 2,76 1,56 2,65 2,48

Низ 1,00 1,00 1,70 1,00 1,50 1,25

Верх 3,86 4,04 3,66 3,68 3,33 4,10

15,07 Осина Середина 2,84 2,76 3,08 3,31 3,04 3,66

низ 1,21 1,30 2,98 3,29 3,14 2,38

Источники варьирования Число степеней свободы Вычисленные оценки критерия Фишера по датам Теоретические оценки Е для вероятностей Р, %

11,07 12,07 14,07 15,07 Р = 95 Р = 99

Деревья 5 13,0 22,4 3,9 6,3 2,4 3,4

Части кроны 12 19,2 3,4 15,4 14,0 1,95 2,6

Учетные ветви 54 1,0 1,0 1,0 1,0 - -

Общее 71 - - - - - -

Как видно из табл. 2, как правило, на обеих древесных породах морфологические признаки повреждения листьев были наиболее отчетливо выражены в верхнем слое кроны и менее всего - в нижнем. Отмеченная закономерность, по-видимому, обусловлена особенностями распределения вещества токсиканта в пространстве крон при его перемещении с восходящим током в опытных деревьях, которые были выбраны нами из числа наиболее развитых и отличавшихся хорошим ростом. В таких деревьях наибольшая доза гербицида локализуется в верхнем слое кроны, где, соответственно, быстрее визуально проявляется и быстрее протекает процесс интоксикации листьев.

Достоверность различий в оценках морфологического индекса по высотным слоям кроны подтверждается результатами дисперсионного анализа (табл. 3): во всех вариантах опытов вычисленные значения критерия Фишера оказались заметно выше теоретических.

Математически подтверждены различия в значениях индекса и для разных деревьев. В этом случае разброс оценок средней степени повреждения листьев связан, по всей вероятности, не только с индивидуальной устойчивостью отдельных деревьев к воздействию токсиканта, но и с варьированием реальных доз препарата, т. е. количеств глюфосината аммония, попавшего в восходящий ток питательных веществ дерева. Для минимизации помех, обусловленных последним фактором, требуются специальные полевые опыты, в которых должно быть существенно большее количество опытных деревьев и число насечек на каждом обрабатываемом дереве, нежели в нашем исследовании.

Результаты математического анализа экспериментальных данных позволяют оптимизировать схему учета при оценке санитарного состояния древостоев. Расчет по методике, изложенной в работе У. Кокрена (Методы выборочного исследования. М.: Статистика, 1976), показывает, что теорети-

чески требуется 10-15 и более вертикальных слоев отбора проб листьев. С практической точки зрения, очевидно, целесообразно использовать традиционное в лесоводстве деление кроны на три части: верх, середина, низ. Количество учетных ветвей в одном высотном слое локального участка древостоя колеблется от 60 в начальной стадии токсического процесса до 5-10 при среднем морфологическом индексе, равном 3,0-3,5.

Выявленные математические зависимости между физиологическими характеристиками листьев осины и березы (относительная влажность и содержание хлорофилла) и балльными оценками их морфологических

особенностей свидетельствуют о возможности использования визуального метода определения состояния деревьев при их повреждении системными токсикантами. При дальнейших исследованиях целесообразно разработать более дробную шкалу для выявления начальной стадии интоксикации, предшествующей наступлению необратимых изменений в листьях, в том числе с использованием простейших оптических приборов и цветовых стандартов для большей объективности первичных данных. С этой же целью необходим анализ возможностей одновременной независимой оценки состояния лесопатологического выдела двумя или тремя экспертами.