научная статья по теме СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ХВОИ ЕЛИ СИБИРСКОЙ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ХВОИ ЕЛИ СИБИРСКОЙ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ»

ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2014, № 2, с. 27-37

_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _

СТАТЬИ

УДК 630*581.192

СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ХВОИ ЕЛИ СИБИРСКОЙ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ* © 2014 г. Т. А. Сухарева

Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского НЦ РАН 184209 Апатиты, Мурманская обл., ул. Ферсмана, 14а E-mail: sukhareva@inep.ksc.ru Поступила в редакцию 03.05.2012 г.

В статье обсуждаются особенности вегетационной и сезонной динамики химических элементов в хвое ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) на северном пределе распространения (Кольский полуостров). Впервые выявлены закономерности круглогодичной динамики элементного состава хвои ели северотаежных лесов. Установлено, что максимальная аккумуляция N, Ca, Mn, Al характерна для хвои ели в середине и конце вегетационного периода. Высокие концентрации K и P отмечены весной, при переходе растений к фазе вегетации. Сезонный характер распределения элементов питания в ассимилирующих органах подтверждают изменения соотношений их концентраций. В течение года в наибольшей степени варьируют соотношения подвижных элементов N:P:K. В вегетационный период выявлено увеличение доли азота на фоне снижения фосфора и калия. Осенью наблюдается снижение доли азота и одновременное увеличение доли калия. Выявлены взаимосвязи между температурой воздуха и почвы и изменением массы хвои.

Picea obovata Ledeb., хвоя, химический состав, сезонная динамика, северотаежные леса.

На элементный состав фото синтезирующих органов хвойных растений оказывает влияние комплекс факторов. Интенсивность поглощения элементов питания ассимилирующими органами зависит от содержания доступных соединений в почве [26], возраста дерева [33, 38] и хвои [35], позиции фотосинтезирующих органов в кроне [37], фазы развития в годичном физиологическом цикле [32, 39]. Накопленные в литературе данные о химическом составе деревьев хотя и многочисленны, но по многим аспектам являются недостаточными. Незначительное внимание исследователи уделяют изучению сезонного характера распределения элементов питания в хвойных растениях. Вместе с тем изменения в содержании химических элементов в растениях обусловлены прохождением ими определенных фенологических фаз, а активность работы ассимиляционного аппарата во многом определяется присутствием в его структурных компонентах элементов минерального питания. Вечнозеленые растения с круглогодично функционирующими фотосинтезирующими органами представляются

* Работа выполнена при поддержке Программы РАН «Биологическое разнообразие».

удобным объектом для изучения влияния сезонного фактора на элементный состав.

Цель исследования - изучение особенностей сезонной динамики химического состава хвои ели сибирской на северном пределе распространения на Кольском полуострове.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследований послужила ель сибирская (Picea obovata Ledeb.), формирующая древостои северотаежных ельников кустарнич-ково-зеленомошных в естественных условиях Кольского полуострова. Пробная площадь заложена на юго-западе Мурманской области (Кандалакшский район, 66°57' с.ш., 29°43' в.д.). В структуре нижних ярусов доминируют зеленые мхи Hylocomium splendens (Hedw.) Schimp in B.S.G., Pleurozium schreberi (Brid.)Mitt. и кустарнички - представители рода Vaccinium: черника (V. myrtillus L.), брусника (V. vitis-idaea L.), голубика (V. uliginosum L.), а также вероника (Empetrum hermaphroditum Haher.). Состав древостоя на пробной площади 9Е1Б, средний возраст ели 160-180 лет. В Мурманской области вегетационный период (со средней суточной температу-

рой +5 °С) продолжается в среднем от 107 до 135 дней. Температура воздуха резко изменяется по сезонам года. Зима (устойчивый период средней суточной температуры воздуха ниже 0 °С) начинается в середине - конце октября и заканчивается в конце апреля - начале мая. Весенний период начинается при устойчивом переходе положительных средних температур воздуха через 0 °С. Лето начинается в середине июня, с устойчивого перехода средних суточных температур воздуха +10 °С, и заканчивается в конце августа. Осенний период начинается в конце августа и заканчивается в середине - конце октября [22]. Начало роста хвои ели в районе исследования отмечается 17 июня, изменение окраски листьев - 20 июля, начало листопада - 13 августа [14].

Образцы хвои ели отбирали ежемесячно с июня 2001 по май 2002 г. из верхней трети кроны одних и тех же модельных деревьев в пятикратной по-вторности. Продолжительность эксперимента составила один год. Хвоя разобрана по возрастным классам: хвоя текущего года, однолетняя и многолетняя (6-11 лет). Концентрацию элементов в образцах хвои определяли после разложения концентрированной азотной кислотой (мокрое озоление). Содержание металлов (Са, Mg, Fe, Мп, Си, N1, Zn) определяли методом атомно-абсорб-ционной спектрофотометрии, К - атомно-эмис-сионной спектрометрии на спектрофотометре атомно-абсорбционном АА8-360; Р - фотоколориметрическим методом по интенсивности окраски фосфорно-молибденового комплекса (метод Лоу-

ри-Лопеса), S - турбидиметрическим методом на фотометре КФК-3, N - по методу Къельдаля, С - по методу Тюрина. Массу 1000 абсолютно сухих хвоинок определяли с точностью до 0.01 г для каждого возрастного класса. Для обработки экспериментальных данных применяли дисперсионный и корреляционный анализы с использованием пакетов программ "STATISTICA 6.0" и Microsoft Excel 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Ель, произрастающую на северном пределе распространения, в соответствии с минеральным составом многолетних фотосинтезирующих органов, можно отнести к азото-кальцефилам. Среднегодовая концентрация химических элементов в хвое ели разного возраста представлена в табл. 1. В составе ассимилирующих органов ели содержание элементов по преобладающим концентрациям можно представить в виде следующего ряда: ON>Ca>K>P>Mn>Mg>S>Al>Fe>Zn>Ni>Cu. Количественное соотношение элементов, в том числе азота, кальция и калия может меняться и зависеть от возраста хвои, влияния атмосферного загрязнения и, как показали наши исследования, от сезона года. Так, кальциево-азотный тип распределения элементов питания в хвое текущего года, характерный для летних месяцев, изменяется на калиево-азотный в зимний период. Но для однолетней и многолетней хвои в течение всего года сохраняется кальциево-азотный и азотно-

Таблица 1. Среднегодовая концентрация химических элементов в хвое ели разного возраста

Возраст хвои, лет

Элемент* текущая однолетняя многолетняя (6-11 лет)

С 57±1** 58±1 57±1

N 10740±260 9592±229 8075±175

Ca 3818±205 5877±204 8920±298

K 5248±143 4102±100 2955±60

P 1645±33 1477±35 1176±33

Mn 1014±54 1484±47 1802±66

Mg 933±22 981±30 591±31

S 613±20 623±25 643±27

Al 83±4 110±5 178±7

Zn 36±1 44±1 45±1

Fe 28±1 31±1 34±1

Ni 2.6±0.1 1.8±0.1 1.8±0.1

Cu 1.9±0.1 1.6±0.1 1.4±0.1

* В табл. 1 и 2: С - %, остальные элементы - мг кг 1 от абс. сухого вещества. ** Примечание. В табл. 1, 2 и 4 указано среднеарифметическое значение с ошибкой.

Месяц Месяц

мг кг 1 6500 -,

550045003500 2500 1500

В

—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I

VI VII УП IX X XI ХП I П Ш IV V

Месяц

МГ ЕСТ 1

2500 п 2000 15001000500

* * * *

0 -|-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

VI VIIVII IX X XI XII I II III IV V

Месяц

мг кг 2000

1500

1000

500

-1

—I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

VI VIIVII IX X XI ХП I П Ш IV V

Месяц

------ 1

мг кг 1400

1100

800

500

200

—I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

VI УП VII IX X XI Ж I 11 Ш IV V

Месяц

-А—3

Рис. 1. Сезонная динамика содержания элементов питания в хвое ели, мг кг '. А - Ы, Б - Са, Б - К, Г - Мп, Д - Р, Е - Mg. На рис. 1, 2: 1 - хвоя текущего года; 2 - однолетняя хвоя, 3 - многолетняя хвоя.

кальциевый типы распределения элементов соответственно, варьируют только количественные характеристики минерального состава. Способность организмов реагировать на изменения природных и антропогенных факторов увеличением вариабельности их химического состава обес-

печивает адаптацию организмов к меняющимся условиям среды [3, 4].

Результаты химического анализа еловой хвои разного возраста показывают, что концентрации большинства изучаемых элементов питания изменяются в течение года (рис. 1).

Таблица 2. Вегетационная динамика элементного состава хвои разного возраста

Элемент Июнь Июль Август Сентябрь

С 50±1 47±1 55±1 50±2

50±1 47±2 56±1 49±2

50±1 46±1 55±2 49±1

N 7972±724 11600±382 11997±503 15183±930

7647±629 9554±331 10951±525 12727±896

6745±360 7813±138 9160±425 10734±857

Са 5506±595 5965±719 5017±896 4891±374

6038±511 6755±487 7525±885 6776±792

6237±629 7760±619 10062±477 9238±783

К 3595±240 5252±340 4673±396 4807±248

3399±308 4213±313 3899±245 4070±188

3039±175 3257±175 3141±234 3022±100

Р 1280±76 1373±114 1542±99 1594±103

1033±51 1231±80 1505±115 1468±108

1045±88 989±73 1284±174 1218±118

Б 624±69 549±87 563±85 690±47

595±76 575±63 589±70 664±85

572±69 556±78 616±78 672±71

Мм 931±109 743±93 833±72 869±46

707±88 731±103 932±109 881±58

468±80 551±94 570±86 596±90

Мп 1463±140 1755±243 1499±279 1190±95

1369±157 1857±93 1696±184 1629±175

1415±190 1736±140 1657±225 1692±168

А1 108±8 117±7 98±12 125±9

121±9 143±12 117±12 165±22

154±8 176±28 160±18 222±29

Zn 42±6 35±5 41±2 39±5

43±8 41±5 45±3 47±6

41±9 37±4 35±5 45±6

Fe 28±2 37±4 29±2 33±2

28±4 44±7 29±2 37±3

37±4 37±5 31±1 33±3

N1 2.8±0.5 2.1±0.3 3.0±0.4 3.9±0.7

1.8±0.2 1.7±0.1 2.3±0.2 2.5±0.5

1.6±0.1 1.5±0.1 2.3±0.3 2.2±0.2

Си 1.9±0.3 1.7±0.2 1.4±0.2 2.0±0.2

1.5±0.1 1.5±0.1 1.3±0.1 1.9±0.3

1.8±0.2 1.2±0.1 1.1±0.1 1.1±0.1

Примечание. Для каждого элемента: верхняя строчка - хвоя текущего года; средняя строчка - однолетняя хвоя; нижняя строчка- многолетняя хвоя

В вегетационный период (июнь - сентябрь) растения активно функционируют и, соответственно, потребности в элементах питания оказываются максимальными. Динамика накопления элементов в фазу вегетации связана с процессами их поглощения из почвы и ретранслокацией внутри дерева [6]. На концентрацию элементов питания значительное влияние оказывают также температурные условия, особенно в год отбора образцов и в предшествующий этому

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком